CN111521947A - 一种功率模块散热路径老化失效诊断方法 - Google Patents

一种功率模块散热路径老化失效诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率模块散热路径老化失效诊断方法，包括以下步骤：A.记录基准功率模块导通压降、集电极电流、模块结温的数据，构建表征模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型；B.记录功率模块工作时模块周围的环境温度，模块基板处的壳温；C.记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流的数据，利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；D.利用比值因子法进行散热路径老化失效诊断。本发明实施例能够在不影响功率模块使用寿命和工作状态的前提下实现在线准确诊断模块散热路径老化失效。

Description

一种功率模块散热路径老化失效诊断方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种功率模块散热路径老化失效诊断方法。
背景技术
功率模块已经广泛应用于轨道牵引、航空航天、电动汽车、电力系统、新能源发电、储能系统等领域。伴随功率模块的应用，由功率模块失效造成的事故频繁发生，带来了一系列的经济损失，人员安全也受到了威胁。所以，对功率模块散热路径老化失效进行诊断就显得尤为重要。
目前，对于功率模块散热路径老化失效的诊断方法难以在实际功率模块运用场合进行在线诊断模块散热路径老化失效状态。因为，亟需一种诊断方法，能够在不影响模块寿命和工作状态的前提下，对模块的散热路径老化失效进行准确诊断。
发明内容
鉴于以上存在的技术问题，本发明用于提供一种功率模块散热路径老化失效诊断方法，用于基于比值因子诊断功率模块散热路径老化失效，能够实现在不影响模块使用寿命和工作状态的前提下实现在线准确诊断模块散热路径老化失效。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种功率模块散热路径老化失效诊断方法，包括以下步骤：
A.记录基准功率模块导通压降、集电极电流、模块结温的数据，构建表征模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型；
B.记录功率模块工作时模块周围的环境温度，模块基板处的壳温；
C.记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流的数据，利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；
D.利用比值因子法进行散热路径老化失效诊断。
优选地，所述步骤A具体包括：
记录不同结温下基准功率模块的导通压降、集电极电流，采样间隔为控制信号的载波周期；
采用数据拟合方法构建功率模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型，并记录所构建的数学模型，数学模型表述为：
VCE,on＝ron(Tj,IC)IC+VCE0(Tj,IC)
式中VCE,on是功率模块导通压降，IC是功率模块集电极电流，ron是功率模块瞬时导通电阻，VCE0是功率模块电压-电流关系曲线上工作点的切线与电压轴的交点。
优选地，所述步骤B中采样间隔为20ms。
优选地，所述步骤C具体包括：
记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流，采样间隔为控制信号的载波周期；
利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；将相同集电极电流工作点处，功率模块工作时的导通压降与该工作电流处某一固定结温时数学模型得到的导通压降进行相减并取其绝对值，获取该工作电流处的误差δI,T，δI,T表示在集电极电流为I，结温为T时的误差；遍历所有功率模块集电极电流，获取某一固定结温时总误差ξ＝∑δI，T；调整数学模型中的结温，获取其它结温下的总误差；提取总误差最小时的数学模型中的结温，将其当做功率模块平均结温。
优选地，所述步骤D具体包括：
将基准功率模块按照步骤B记录功率模块壳温和环境温度，按照步骤C记录并处理得到功率模块平均结温；获取功率模块结-壳温差和模块壳-环境温差，将模块结-壳温差除以模块壳-环境温差，其值为基准平均比值因子K1；
将非基准功率模块按照步骤B记录的功率模块壳温和环境温度，按照步骤C记录并处理得到功率模块平均结温；获取功率模块结-壳温差和模块壳-环境温差，将模块结-壳温差除以模块壳-环境温差，其值为平均比值因子K2；
将平均比值因子K2与基准平均比值因子K1进行对比，诊断功率模块散热路径老化失效；当K2>K1时，表明功率模块内部焊料层发生老化失效；当K2<K1时，表明功率模块导热硅脂发生老化失效。
采用本发明具有如下的有益效果：本发明实施例提出的基于比值因子诊断功率模块散热路径老化失效的方法比传统诊断散热路径老化失效的方法更好的适用于实际系统。能够在不影响功率模块使用寿命和工作状态的前提下实现在线准确诊断模块散热路径老化失效。
附图说明
图1为本发明实施例的功率模块散热路径老化失效诊断方法的整体流程图；
图2为功率模块电压-电流关系曲线；
图3为基准功率模块比值因子结果图；
图4为非基准功率模块内部焊料层老化失效比值因子结果图；
图5是非基准功率模块导热硅脂老化失效比值因子结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明实施例的一种功率模块散热路径老化失效诊断方法，包括如下步骤：
A.记录基准功率模块导通压降、集电极电流、模块结温的数据，构建表征模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型；
B.记录功率模块工作时模块周围的环境温度，模块基板处的壳温；
C.记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流，利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；
D.利用比值因子法进行散热路径老化失效诊断。
进一步的，步骤A具体包括：记录不同结温下基准功率模块的导通压降、集电极电流，采样间隔为控制信号的载波周期。采用数据拟合方法构建功率模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型，并记录所构建的数学模型，数学模型表述为：
VCE,on＝ron(Tj,IC)IC+VCE0(Tj,IC)
式中VCE,on是功率模块导通压降，IC是功率模块集电极电流，ron是功率模块瞬时导通电阻，VCE0是功率模块电压-电流关系曲线上工作点的切线与电压轴的交点(VCE0如图2图示示意所示)具体应用实例中，ron和VCE0两个参数由功率模块自身结构参数的影响，由实验测取拟合获得，无范围限定，不同功率模块获得的都会有所区别。
进一步的，步骤B中，采样间隔为20ms。
进一步的，步骤C具体包括：
记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流的数据，采样间隔为控制信号的载波周期；
利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；将相同集电极电流工作点处，功率模块工作时的导通压降与该工作电流处某一固定结温时数学模型得到的导通压降进行相减并取其绝对值，获取该工作电流处的误差δI,T，δI,T表示在集电极电流为I，结温为T时的误差；遍历所有功率模块集电极电流，获取某一固定结温时总误差ξ＝∑δI，T；调整数学模型中的结温，获取其它结温下的总误差；提取总误差最小时的数学模型中的结温，将其当做功率模块平均结温。
进一步的，步骤D具体为：
将基准功率模块按照步骤B记录功率模块壳温和环境温度，按照步骤C记录并处理得到功率模块平均结温；获取功率模块结-壳温差和模块壳-环境温差，将模块结-壳温差除以模块壳-环境温差，其值为基准平均比值因子K1。本实施例的基准功率模块比值因子结果如图3所示，基准平均比值因子K1为0.845。
将非基准功率模块按照步骤B记录的功率模块壳温和环境温度，按照步骤C记录并处理得到功率模块平均结温；获取功率模块结-壳温差和模块壳-环境温差，将模块结-壳温差除以模块壳-环境温差，其值为比值因子K2。本实施例的非基准功率模块散热路径老化失效中的内部焊料层老化失效比值因子结果如图4所示，平均比值因子K2为1.018。本实施例的非基准功率模块散热路径老化失效中的导热硅脂老化失效比值因子结果如图5所示，平均比值因子K2为0.757。
将平均比值因子K2与基准平均比值因子K1进行对比，诊断功率模块散热路径老化失效。结果表明，当K2>K1时，表明功率模块内部焊料层发生老化失效；当K2<K1时，表明功率模块导热硅脂发生老化失效。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (5)

1.一种功率模块散热路径老化失效诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.记录基准功率模块导通压降、集电极电流、模块结温的数据，构建表征模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型；
B.记录功率模块工作时模块周围的环境温度，模块基板处的壳温；
C.记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流的数据，利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；
D.利用比值因子法进行散热路径老化失效诊断。
2.如权利要求1所述的功率模块散热路径老化失效诊断方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
记录不同结温下基准功率模块的导通压降、集电极电流，采样间隔为控制信号的载波周期；
采用数据拟合方法构建功率模块导通压降、集电极电流和模块结温关系的数学模型，并记录所构建的数学模型，数学模型表述为：
VCE,on＝ron(Tj,IC)IC+VCE0(Tj,IC)
式中VCE,on是功率模块导通压降，IC是功率模块集电极电流，ron是功率模块瞬时导通电阻，VCE0是功率模块电压-电流关系曲线上工作点的切线与电压轴的交点。
3.如权利要求1所述的功率模块散热路径老化失效诊断方法，其特征在于，所述步骤B中采样间隔为20ms。
4.如权利要求1所述的功率模块散热路径老化失效诊断方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
记录功率模块工作时模块导通压降、集电极电流，采样间隔为控制信号的载波周期；
利用表征模块导通压降、结温和集电极电流关系的数学模型获取功率模块平均结温；将相同集电极电流工作点处，功率模块工作时的导通压降与该工作电流处某一固定结温时数学模型得到的导通压降进行相减并取其绝对值，获取该工作电流处的误差δI,T，δI,T表示在集电极电流为I，结温为T时的误差；遍历所有功率模块集电极电流，获取某一固定结温时总误差ξ＝∑δI，T；调整数学模型中的结温，获取其它结温下的总误差；提取总误差最小时的数学模型中的结温，将其当做功率模块平均结温。
5.如权利要求1所述的功率模块散热路径老化失效诊断方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
将基准功率模块按照步骤B记录功率模块壳温和环境温度，按照步骤C记录并处理得到功率模块平均结温；获取功率模块结-壳温差和模块壳-环境温差，将模块结-壳温差除以模块壳-环境温差，其值为基准平均比值因子K1；
将非基准功率模块按照步骤B记录的功率模块壳温和环境温度，按照步骤C记录并处理得到功率模块平均结温；获取功率模块结-壳温差和模块壳-环境温差，将模块结-壳温差除以模块壳-环境温差，其值为平均比值因子K2；
将平均比值因子K2与基准平均比值因子K1进行对比，诊断功率模块散热路径老化失效；当K2>K1时，表明功率模块内部焊料层发生老化失效；当K2<K1时，表明功率模块导热硅脂发生老化失效。
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