CN111060797A - 一种基于热网络自然频率的igbt模块健康状态监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，先根据IGBT模块和散热器的物理性能参数，建立四阶等效考尔热网络模型；根据各阶热参数之间的数量级差异，建立热网络自然频率和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；通过拟合测量的IGBT模块的结温降温曲线得到热网络的自然频率；根据自然频率对IGBT模块的健康状态进行监测。本发明可以在不测量IGBT模块功率损耗的情况下对IGBT模块的老化程度进行监测。

Description

一种基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法
技术领域
本发明涉及一种IGBT模块监测方法，尤其涉及一种基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法。
背景技术
IGBT模块在新能源系统中得到了广泛的应用，比如高速列车的牵引，风力和光伏发电等等。然而伴随着功率密度等级的不断提升，IGBT模块的热疲劳老化问题日益凸显。由于IGBT模块处理功率的波动性、间歇性以及任务工况的变化，IGBT模块在长期的使用过程中容易受到热循环冲击的作用。又由于IGBT模块内部多层物理材料的热膨胀系数不匹配，各物理层之间会产生挤压形变，特别是芯片焊料层和基板焊料层容易出现老化，进而引起IGBT模块的失效，导致功率变流器的故障停机。因此，IGBT模块是影响电力电子装置可靠性的关键性因素，对其健康状态进行监测可以指导功率变流器的定期维修，降低功率变流器的运行维护成本。
已有的加速老化实验结果表明，IGBT模块的健康状态和热参数关系密切，通过监测热参数的变化情况可以反映IGBT模块的热疲劳老化进程。目前也提出了较多的方法用于IGBT模块热参数的监测，主要有IEC-60747-9-2007和JESD51-14标准、结构函数法、瞬态热响应的热阻分析法等。这些方法通过加热IGBT模块至热稳态，结合测量的结温、壳温、环境温度以及功率损耗，计算出稳态热阻或热网络参数。然而由于IGBT模块通常工作在开关状态，电压和电流快速变化，如何精确测量出IGBT模块的导通损耗依旧是一个尚未解决的难题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种可以判断IGBT模块老化状态的监测方法。
技术方案：本发明所述的一种基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，该方法包括：
(1)根据IGBT模块和散热器的物理性能参数，建立四阶等效考尔热网络模型；
(2)利用步骤(1)中得到的四阶等效考尔热网络模型中的热参数之间的数量级差异，建立热网络自然频率和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；
(3)结合热网络参数的老化规律，获取IGBT模块热疲劳老化进程中自然频率的变化规律；
(4)通过拟合测量的IGBT模块的结温降温曲线得到热网络的自然频率；
(5)根据自然频率对IGBT模块的健康状态进行监测。
进一步地，所述IGBT模块和散热器的物理性能参数包括：IGBT模块和散热器的尺寸大小以及材料参数。
进一步地，所述步骤(1)包括：依据IGBT模块芯片焊料层设置考尔热网络模型的第一阶参数，依据IGBT模块基板焊料层设置第二阶参数，依据导热硅脂设置第三阶参数，依据散热器设置第四阶参数。
进一步地，步骤(2)中，所述映射关系为：
Figure BDA0002316672060000021
其中Ri，i＝1…4和Ci，i＝1…4分别为等效热网络模型中的热阻、热容值；si，i＝1…4为热网络自然频率，其中s1反映IGBT模块芯片焊料层的健康状态，s2反映IGBT模块基板焊料层的健康状态。
进一步地，所述步骤(3)包括：依据步骤(2)中的映射关系，根据热网络参数变化规律计算出自然频率的变化趋势。
进一步地，所述步骤(4)包括：利用温度敏感电参数测量得到IGBT模块结温降温曲线，通过拟合降温曲线得到用于健康状态监测的自然频率。
有益效果：1、本发明较现有技术，无需测量IGBT模块功率损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性；2、本发明基于热网络自然频率能够同时对IGBT模块芯片焊料层和基底焊料层进行监测。
附图说明
图1是本发明所述基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法流程示意图；
图2是本发明中IGBT模块和散热器的四阶等效考尔热网络模型。
具体实施方式
在本实施例中，IGBT模块健康状态监测方法主要包括等效考尔热网络模型的建立、热网络自然频率和热网络模型中各阶参数之间的映射关系、自然频率在IGBT模块热疲劳老化过程中的变化规律以及自然频率的提取，本发明不仅可以对IGBT模块芯片焊料层和基底焊料层同时进行监测，而且无需测量IGBT模块功率损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
请参见图1，其示出了本发明所述的一种基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，包括步骤：
a.根据IGBT模块和散热器的物理性能参数，建立四阶等效考尔热网络模型；
本实施例中，步骤a具体包括：根据IGBT模块和散热器的物理性能参数，将IGBT模块和散热器等效为四阶考尔热网络，如图2所示，其中第一阶参数和IGBT模块芯片焊料层相关，第二阶参数和IGBT模块基板焊料层相关，第三阶参数和导热硅脂相关，第四阶参数和散热器相关。
b.利用热网络模型中热参数之间的数量级差异，建立热网络自然频率和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；
在本实施例中，步骤b具体包括：根据等效热网络模型中第一阶、第二阶、第三阶和第四阶热参数在数值量级上的差异,建立热网络自然频率和热网络模型中各阶参数之间的映射关系，如下所示：
Figure BDA0002316672060000031
其中R1-R4和C1-C4分别为等效热网络模型中的热阻、热容值。s1-s4为热网络的自然频率，其中s1反映IGBT模块芯片焊料层的健康状态，s2反映IGBT模块基板焊料层的健康状态。
c.结合热网络参数的老化规律，获取IGBT模块热疲劳老化进程中自然频率的变化规律；
在本实施例中，步骤c具体包括：根据热网络模型中关于IGBT模块的热阻热容值在老化过程中的变化规律，分析热网络自然频率的变化规律。其中热阻R1、R2在IGBT模块老化过程中，数值是逐渐增大的，而热容C1、C2基本不变。结合建立的映射关系可知，自然频率s1和s2随着IGBT模块的老化进程是会逐渐增加的。
d.通过拟合测量的IGBT模块的结温降温曲线得到热网络的自然频率。
在本实施例中，步骤d具体包括：利用温敏电参量测量得到IGBT模块结温Tj的降温曲线，通过拟合降温曲线得到用于健康状态监测的自然频率s1和s2。

Claims (6)

1.一种基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，其特征在于，包括步骤：
(1)根据IGBT模块和散热器的物理性能参数，建立四阶等效考尔热网络模型；
(2)利用步骤(1)中得到的四阶等效考尔热网络模型中的各阶热参数之间的数量级差异，建立热网络自然频率和热网络模型中各阶参数之间的映射关系；
(3)结合热网络参数的老化规律，获取IGBT模块热疲劳老化进程中自然频率的变化规律；
(4)通过拟合测量的IGBT模块的结温降温曲线得到热网络的自然频率；
(5)根据自然频率对IGBT模块的健康状态进行监测。
2.根据权利要求1所述的基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述IGBT模块和散热器的物理性能参数包括：IGBT模块和散热器的尺寸大小以及材料参数。
3.根据权利要求1所述的基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：依据IGBT模块芯片焊料层设置考尔热网络模型的第一阶参数，依据IGBT模块基板焊料层设置第二阶参数，依据导热硅脂设置第三阶参数，依据散热器设置第四阶参数。
4.根据权利要求1所述的基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述映射关系为：
Figure FDA0002316672050000011
其中Ri，i＝1…4和Ci，i＝1…4分别为等效热网络模型中的热阻、热容值；si，i＝1…4为热网络自然频率，其中s1反映IGBT模块芯片焊料层的健康状态，s2反映IGBT模块基板焊料层的健康状态。
5.根据权利要求1所述的基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：依据步骤(2)中的映射关系，根据热网络参数变化规律计算出自然频率的变化趋势。
6.根据权利要求1所述的基于热网络自然频率的IGBT模块健康状态监测方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：利用温度敏感电参数测量得到IGBT模块结温降温曲线，通过拟合降温曲线得到用于健康状态监测的自然频率。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111931402A (zh) * 2020-07-26 2020-11-13 上海电力大学 一种焊料老化状态下igbt模块结温估计方法
CN112327124A (zh) * 2020-09-30 2021-02-05 河海大学 一种监测igbt模块热疲劳老化的方法及不均匀老化的方法
CN113702794A (zh) * 2021-09-03 2021-11-26 上海交通大学 基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法
CN115017722A (zh) * 2022-06-17 2022-09-06 合肥工业大学 一种igbt功率模块热网络模型的分区解耦计算方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103956887A (zh) * 2014-05-15 2014-07-30 重庆大学 风电变流器igbt模块结温在线计算方法
CN105718694A (zh) * 2016-01-28 2016-06-29 重庆大学 基于igbt结温信息的热网络参数辨识方法
CN106960085A (zh) * 2017-03-07 2017-07-18 株洲中车时代电气股份有限公司 一种在线预估igbt元件结温的方法
CN107315877A (zh) * 2017-06-28 2017-11-03 华北电力大学 一种预测功率器件结温的方法及系统
CN108319763A (zh) * 2018-01-09 2018-07-24 全球能源互联网研究院有限公司 Igbt多层热传导建模方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103956887A (zh) * 2014-05-15 2014-07-30 重庆大学 风电变流器igbt模块结温在线计算方法
CN105718694A (zh) * 2016-01-28 2016-06-29 重庆大学 基于igbt结温信息的热网络参数辨识方法
CN106960085A (zh) * 2017-03-07 2017-07-18 株洲中车时代电气股份有限公司 一种在线预估igbt元件结温的方法
CN107315877A (zh) * 2017-06-28 2017-11-03 华北电力大学 一种预测功率器件结温的方法及系统
CN108319763A (zh) * 2018-01-09 2018-07-24 全球能源互联网研究院有限公司 Igbt多层热传导建模方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈飞等: "《电路与信号》", 30 March 2010 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111931402A (zh) * 2020-07-26 2020-11-13 上海电力大学 一种焊料老化状态下igbt模块结温估计方法
CN111931402B (zh) * 2020-07-26 2022-05-17 上海电力大学 一种焊料老化状态下igbt模块结温估计方法
CN112327124A (zh) * 2020-09-30 2021-02-05 河海大学 一种监测igbt模块热疲劳老化的方法及不均匀老化的方法
CN113702794A (zh) * 2021-09-03 2021-11-26 上海交通大学 基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法
CN113702794B (zh) * 2021-09-03 2022-07-15 上海交通大学 基于热阻抗特征频率的功率半导体器件健康状态评估方法
CN115017722A (zh) * 2022-06-17 2022-09-06 合肥工业大学 一种igbt功率模块热网络模型的分区解耦计算方法
CN115017722B (zh) * 2022-06-17 2023-02-28 合肥工业大学 一种igbt功率模块热网络模型的分区解耦计算方法

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