CN111400884A - 一种基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法 - 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碳化硅模块热参数测量方法，包括如下步骤：(1)根据碳化硅模块和散热系统的物理结构，建立三阶考尔型热网络模型；(2)通过改变一次散热工况，建立两组散热条件下热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组；(3)测量散热条件改变前后，碳化硅模块在降温过程中的壳温以及环境温度；(4)借助拟合壳温相对于环境温度的曲线，获得热网络的自然频率；(5)最后结合两组散热条件下散热器的热阻以及建立的约束方程组，辨识出碳化硅模块的热阻和热容值。本发明无需测量碳化硅模块的结温和功率损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅模块的热参数测量技术领域，尤其是一种基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法。
背景技术
碳化硅模块在新能源发电系统中得到了广泛的应用，凭借其优越的电热特性，正逐渐替代IGBT模块的市场份额。然而由于碳化硅模块自身高速的开关动作、处理功率的波动性和间歇性以及外部环境的变化，碳化硅模块长期承受不均衡的电热应力，在运行过程中易产生热疲劳老化，降低其可靠性。相关的研究表明，碳化硅模块的失效机理，结温估算，状态监测，寿命评估以及热管理设计均与热参数关系密切，因此准确测量出碳化硅模块的热阻和热容值对于提高其可靠性具有重要意义。
目前来说，碳化硅模块的热参数测量方法主要有两类：一类是基于IEC-60747-9-2007测量标准，还有一类是基于JESD51-14测量标准。第一类方法基本原理如下：首先对碳化硅模块通以大电流，加热至碳化硅模块内部温度不再发生变化。然后测量碳化硅模块在热平衡状态时的结温Tj，壳温Tc以及功率损耗P。最后结合公式(Tj-Tc)/P解析计算出碳化硅模块的热阻值。第二类方法基本原理如下：首先给碳化硅模块施加恒定功率，同时碳化硅模块的基板与散热器上表面保持紧密接触并充满导热硅脂。然后当碳化硅模块达到热平衡状态后，断开加热电源，测量碳化硅模块的结温降温曲线并结合加热时的功率损耗获得热阻抗曲线。再者，抹去碳化硅模块基板与散热器之间的导热硅脂，重复上述操作过程，测量这种情况下的热阻抗曲线。最后，根据两组热阻抗曲线的分离点确定碳化硅模块的热阻和热容值。
综上可知，上述两类方法虽然可以测量出碳化硅模块的热阻或热容值，但是它们都需要测量结温和功率损耗。由于碳化硅模块的温敏电参数和结温并非呈现完全的线性关系，对其结温实现非侵入性测量存在极大的难度。加之碳化硅模块的开关频率极高，如何精确测量出功率损耗也是一个尚未解决的难题。因此，需要发明一种无需测量结温和功率损耗就可以测量出碳化硅模块热参数的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，包括如下步骤：
(1)根据碳化硅模块和散热系统的物理结构，建立三阶考尔型热网络模型；
(2)通过改变一次散热工况，建立两组散热条件下热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组；
(3)测量散热条件改变前后，碳化硅模块在降温过程中的壳温以及环境温度；
(4)借助拟合壳温相对于环境温度的曲线，获得热网络的自然频率；
(5)最后结合两组散热条件下散热器的热阻以及建立的约束方程组，辨识出碳化硅模块的热阻和热容值。
优选的，步骤(1)中，将碳化硅模块设置为热网络模型的第一阶RC参数，将导热硅脂设置为热网络模型的第二阶RC参数，将散热器设置为热网络模型的第三阶RC参数。
优选的，步骤(2)中，两组散热条件下热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组为：
其中R1,R2,R3,C1,C2,C3为改变散热工况前的热网络模型RC参数，R1,R2,R′3,C1,C2,C′3为改变散热工况后的热网络模型RC参数，s1,s2,s3和s′1,s′2,s′3为散热工况改变前后热网络的自然频率。
优选的，步骤(3)中，利用热电偶测量壳温以及环境温度，壳温测量位置在芯片中心正下方碳化硅模块基板上，环境温度则为散热器进风口的空气温度。
优选的，步骤(4)中，利用非线性最小二乘法，通过拟合壳温相对于环境温度Tca(t)＝Tc(t)-Ta的曲线来获得热网络的自然频率，拟合形式为
其中A1A2A3为拟合系数，t为测量壳温过程中的时间。
优选的，步骤(5)中，将提前测量出的两种散热工况下散热器的热阻以及拟合得到的热网络自然频率带入约束方程组中，求解出碳化硅模块的热阻和热容值。
本发明的有益效果为：本发明无需测量碳化硅模块的结温和功率损耗，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
附图说明
图1为本发明的测量方法流程示意图。
图2(a)为本发明中碳化硅模块和散热器的三阶考尔型热网络模型散热工况改变前的模型示意图。
图2(b)为本发明中碳化硅模块和散热器的三阶考尔型热网络模型散热工况改变后的模型示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，包括如下步骤：
(1)根据碳化硅模块和散热系统的物理结构，建立三阶考尔型热网络模型；
本实施例中，步骤(1)具体包括：根据碳化硅模块和散热系统的物理结构，将碳化硅模块和散热系统等效为三阶考尔型热网络模型，如图2(a)和图2(b)所示，其中第一阶参数R1,C1和碳化硅模块相关，第二阶参数R2,C2和导热硅脂相关，第三阶参数和散热器相关，R3,C3为散热工况改变前的散热器热参数，R′3,C′3为散热工况改变后的散热器热参数。
(2)利用电热比拟理论以及特征方程根与系数的关系，建立热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组；
在本实施例中，步骤(2)具体包括：建立的热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组，如下所示：
其中R1,R2,R3,C1,C2,C3为改变散热工况前的热网络模型RC参数，R1,R2,R′3,C1,C2,C′3为改变散热工况后的热网络模型RC参数。s1,s2,s3和s′1,s′2,s′3为散热工况改变前后热网络的自然频率。
(3)测量散热条件改变前后，碳化硅模块在降温过程中的壳温以及环境温度；
在本实施例中，步骤(3)具体包括：利用热电偶测量壳温Tc(t)以及环境温度Ta，壳温测量位置在芯片中心正下方碳化硅模块基板上，环境温度则为散热器进风口的空气温度。
(4)借助拟合壳温相对于环境温度的曲线，获得热网络的自然频率；
在本实施例中，步骤(4)具体包括：利用非线性最小二乘法，通过拟合壳温相对于环境温度Tca(t)＝Tc(t)-Ta的曲线来获得热网络的自然频率，拟合形式为
其中A1A2A3为拟合系数，t为测量壳温过程中的时间。
(5)结合两组散热条件下散热器的热阻以及建立的约束方程组，辨识出碳化硅模块的热阻和热容值。
在本实施例中，步骤(5)具体包括：结合提前测量出R3和R′3的数值，并将拟合得到的s1,s2,s3和s′1,s′2,s′3带入步骤(2)中建立的约束方程组中，辨识出碳化硅模块的热阻和热容值。
在本实施例中，碳化硅模块热参数的测量方法主要包括三阶等效考尔型热网络模型的建立、热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组、利用壳温以及环境温度实现自然频率的提取，本发明可以对碳化硅模块热阻和热容值同时实现辨识，而且无需测量功率损耗以及结温，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。
Claims (6)
1.一种基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据碳化硅模块和散热系统的物理结构，建立三阶考尔型热网络模型；
(2)通过改变一次散热工况，建立两组散热条件下热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组；
(3)测量散热条件改变前后，碳化硅模块在降温过程中的壳温以及环境温度；
(4)借助拟合壳温相对于环境温度的曲线，获得热网络的自然频率；
(5)最后结合两组散热条件下散热器的热阻以及建立的约束方程组，辨识出碳化硅模块的热阻和热容值。
2.如权利要求1所述的基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，其特征在于，步骤(1)中，将碳化硅模块设置为热网络模型的第一阶RC参数，将导热硅脂设置为热网络模型的第二阶RC参数，将散热器设置为热网络模型的第三阶RC参数。
3.如权利要求1所述的基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，其特征在于，步骤(2)中，两组散热条件下热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组为：
其中R1,R2,R3,C1,C2,C3为改变散热工况前的热网络模型RC参数，R1,R2,R′3,C1,C2,C′3为改变散热工况后的热网络模型RC参数，s1,s2,s3和s′1,s′2,s′3为散热工况改变前后热网络的自然频率。
4.如权利要求1所述的基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，其特征在于，步骤(3)中，利用热电偶测量壳温以及环境温度，壳温测量位置在芯片中心正下方碳化硅模块基板上，环境温度则为散热器进风口的空气温度。
5.如权利要求1所述的基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，其特征在于，步骤(4)中，利用非线性最小二乘法，通过拟合壳温相对于环境温度Tca(t)＝Tc(t)-Ta的曲线来获得热网络的自然频率，拟合形式为
其中A1A2A3为拟合系数，t为测量壳温过程中的时间。
6.如权利要求1所述的基于热网络自然频率的碳化硅模块热参数测量方法，其特征在于，步骤(5)中，将提前测量出的两种散热工况下散热器的热阻以及拟合得到的热网络自然频率带入约束方程组中，求解出碳化硅模块的热阻和热容值。
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