CN113239563B - Igbt模块的热管理方法及存储介质 - Google Patents

Igbt模块的热管理方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IGBT模块的热管理方法及存储介质，其中方法包括如下步骤：S100：根据至少一整年的风速、气温数据及IGBT模块的功率损耗模型，获取IGBT模块的基频结温数据；S200：采用循环计数方法从基频结温数据中提取低频结温数据，利用IGBT寿命模型和线性累计损伤法则计算IGBT模块的低频寿命消耗和基频寿命消耗；S300：选择低频寿命消耗和基频寿命消耗中占比更高的为重点抑制的结温波动类型，并量化分析占比更高的寿命消耗的分布规律，确定目标结温波动幅值；S400：计算需要抑制的结温波动类型的结温阈值和对应的电气参量值和热管理工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过结温阈值。上述技术方案的热管理方法，可以提高热管理的有效性，延长IGBT模块的寿命。

Description

IGBT模块的热管理方法及存储介质
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种IGBT模块的热管理方法及存储介质。
背景技术
今年来，风力发电系统的装机容量实现了飞跃式的增长，功率变流器得到了大规模的应用。作为变流器能量变换与控制的核心组件，IGBT模块的使用寿命与系统可靠性关系密切。以风电变流器为例，由于风电变流器功率的波动性以及间歇性，IGBT模块长期承受热载荷的冲击作用，在运行过程中容易发生热疲劳老化，降低其可靠性。
现有的研究通常是基于温度实时反馈来平滑IGBT模块的结温，导致调节周期较长且控制器结构设计复杂。实际上由于风电变流器运行工况的波动性和随机性，IGBT模块内部主要产生两种类型的结温波动，一种是基频结温波动ΔTj,F，还有一种是低频结温波动ΔTj,L。前者和变流器的输出频率相关，后者则和风速的随机波动关系密切。另一方面，虽然已有一些方法在一定程度上实现了结温波动的管理，但是仍侧重于对基频结温波动的调节，对部分低频结温波动占比较高的情况起不到良好的调节效果。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种IGBT模块的热管理方法，根据过去一年结温波动导致的寿命消耗中占比更高的结温波动类型进行抑制，提升了热管理的效果，提高了IGBT模块的寿命。
本发明的另一目的是提出一种存储有上述热管理方法对应的计算机程序的计算机可读存储介质，进而提高IGBT模块的寿命。
技术方案：本发明所述的IGBT模块的热管理方法，包括如下步骤：
S100：根据至少一整年的风速、气温数据及IGBT模块的功率损耗模型，获取IGBT模块的基频结温数据；
S200：采用循环计数方法从基频结温数据中提取低频结温数据，利用IGBT寿命模型和线性累计损伤法则计算IGBT模块的低频寿命消耗和基频寿命消耗；
S300：选择低频寿命消耗和基频寿命消耗中占比更高的为重点抑制的结温波动类型，并量化分析占比更高的寿命消耗的分布规律，确定目标结温波动幅值；
S400：计算需要抑制的结温波动类型的结温阈值和对应的电气参量值和热管理工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过结温阈值。
进一步的，所述步骤S100包括：
S110：获取一整年的风速和气温数据，带入到风机模型中计算每个任务工况下变流器的运行功率；
S120：将每个任务工况下变流器的运行功率带入到IGBT模块的功率损耗模型中，获得每个开关周期下的开关损耗和导通损耗；
S130：采用结温数值迭代法，获得长时间任务工况下IGBT模块的结温数据，即基频结温数据。
进一步的，所述步骤S200中的循环计数方法为雨流计数法。
进一步的，所述步骤S200中的线性累计损伤法则为Miner累计法则。
进一步的，所述步骤S200中的IGBT寿命模型为Bayerer寿命模型。
进一步的，所述步骤S400中的电气参量包括IGBT模块的开关频率。
进一步的，所述步骤S400包括：
S410：若低频寿命消耗大于基频寿命消耗，则进入步骤S420；若基频寿命消耗大于低频寿命消耗，则进入步骤S430；
S420：将一年中的最低环境温度设定为IGBT模块允许运行的最低结温；
S421：将最低结温与低频结温波动幅值相加获得低频结温阈值，进入步骤S440；
S430：将基频结温波动幅值作为基频结温阈值，进入步骤S440；
S440：根据低频结温阈值或基频结温阈值确定电气参量的工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过低频结温阈值或基频结温阈值。
进一步的，所述步骤S440后还包括：
S450：计算一年中最高环境温度下不同风速的最大结温值，取最大结温值等于或恰好大于低频结温阈值或基频结温阈值时对应的风速为风速阈值；
S460：当风速大于风速阈值时，将IGBT模块的开关频率下降至开关频率的工作区间内。
本发明所述的计算机可读的存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行上述的IGBT模块的热管理方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：根据导致寿命消耗的主要结温波动种类抑制对应的结温波动类型，提高热管理的效果，延长IGBT模块的寿命，提高器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的IGBT模块的热管理方法的流程图；
图2为本发明实施例的IGBT模块的寿命消耗分析流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1，根据本发明实施例的IGBT模块的热管理方法，具体包括如下步骤：
S100：根据至少一整年的风速、气温数据及IGBT模块的功率损耗模型，获取IGBT模块的基频结温数据；
S200：采用循环计数方法从基频结温数据中提取低频结温数据，利用IGBT寿命模型和线性累计损伤法则计算IGBT模块的低频寿命消耗和基频寿命消耗；
S300：选择低频寿命消耗和基频寿命消耗中占比更高的为重点抑制的结温波动类型，并量化分析占比更高的寿命消耗的分布规律，确定目标结温波动幅值；
S400：计算需要抑制的结温波动类型的结温阈值和对应的电气参量值和热管理工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过结温阈值。
根据上述技术方案的IGBT模块的结温抑制方法，通过对风力发电系统进行大于一整年的长时间尺度的任务剖面分析，分析出风力发电系统中IGBT模块的寿命消耗中低频结温波动和基频结温波动分别所占的比重，以占比更大的结温波动类型作为主要抑制的对象，从而提升IGBT模块的热管理的效果，进而提高IGBT模块的寿命，提高变流器的可靠性。
可以理解的是，步骤S200中的IGBT模型可以为Coffin-Manson模型、Lesit模型、Norris-Landzberg模型或Bayerer模型等中的一种，循环技术方法可以为幅度穿越循环技术法、波峰波谷循环技术法或雨流计数法等中的一种。步骤S400中的电气参量可以为IGBT模块的开关频率、输出功率、散热风扇的转速以及驱动方式等。
参照图2，在本实施例中，循环技术方法为雨流计数法，线性累计损伤法则为Miner累计法则，IGBT寿命模型为Bayerer寿命模型。
在一些实施例中，步骤S100具体包括：
S110：获取一整年的风速和气温数据，带入到风机模型中计算每个任务工况下变流器的运行功率；
S120：将每个任务工况下变流器的运行功率带入到IGBT模块的功率损耗模型中，获得每个开关周期下的开关损耗和导通损耗；
S130：采用结温数值迭代法，获得长时间任务工况下IGBT模块的结温数据，即基频结温数据。
其中步骤S130中的关键计算公式如下：
Figure BDA0003084137200000041
式中Rtjc,i表示第i个RC并联单元的热阻，τtjc,i表示第i个RC单元的时间常数，Tsw表示器件的开关周期，
Figure BDA0003084137200000042
和/>
Figure BDA0003084137200000043
分别分别表示第k和k-1个开关周期的温差。
在本实施例中，具体的步骤S200包括：
S210：利用Bayerer寿命模型得到IGBT模块失效前的热循环次数Nf：
Figure BDA0003084137200000044
式中Tjmax和Tjmin分别为一个热循环周期内最高和最低结温，ton为加热时间，I为每根键合线通过电流的有效值，U为IGBT模块的耐压值，D为键合线的直径。k＝9.3×1014，β1＝-4.416，β2＝1285，β3＝-0.463，β4＝-0.716，β5＝-0.761，β6＝-0.5。
S220：利用Miner累积法则获得每个工况器件的寿命消耗，Miner累积法则的模型表达式如下：
Figure BDA0003084137200000045
式中Nf,j是第j个工况所对应的失效前热循环次数，Nj是指在该工况下器件实际经历的热循环次数，N为总的运行工况数。
在一些实施例中，在步骤300中，以网侧IGBT模块CLL为例，定义结温波动的累计分布函数如下所示：
Figure BDA0003084137200000046
式中ΔTref是指预先定义的结温波动幅值，ΔTjmax是指低频结温波动的最大幅值，p(ΔTj,L>ΔTref)是指幅值大于ΔTref的低频结温波动占总的低频结温波动比例。
然后定义低频结温波动频率f(ΔTj,L)：
Figure BDA0003084137200000047
式中n(ΔTj,L)是指幅值为ΔTj,L的低频结温波动数量，N是指总的低频结温波动数量。低频结温波动导致的寿命消耗分布如下所示：
Figure BDA0003084137200000051
式中CLL(ΔTj,L)是指幅值等于ΔTj,L的低频结温波动引起的寿命消耗，pCLL(ΔTj,L>ΔTref)则是指幅值大于ΔTref的低频结温波动导致的寿命消耗占所有低频结温波动导致寿命消耗的比例。
在一些实施例中，步骤S400具体包括：
S410：若低频寿命消耗大于基频寿命消耗，则进入步骤S420；若基频寿命消耗大于低频寿命消耗，则进入步骤S430；
S420：将一年中的最低环境温度设定为IGBT模块允许运行的最低结温；
S421：将最低结温与低频结温波动幅值相加获得低频结温阈值，进入步骤S440；
S430：将基频结温波动幅值作为基频结温阈值，进入步骤S440；
S440：根据低频结温阈值或基频结温阈值确定电气参量值和热管理的工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过低频结温阈值或基频结温阈值。
由于在实际情况中，IGBT的最大运行结温和风速和环境温度有关，IGBT模块的结温会随着风速的增大而逐渐增大，直到达到风力发电系统的额定风速vrated，当变流器采用恒功率控制是，风速超过额定风速后功率损耗也不会再继续增加，所以当IGBT模块在vrated风速下结温可以被控制在结温阈值内，则在所有运行条件下均可以控制在结温阈值内，可以依此确定热管理时调节电气参量的值。
在本实施例中，选用IGBT模块的开关频率作为控制结温的具体手段，根据已有的研究可以确定，IGBT模块的最大运行结温会随着开关频率的降低而下降，可以通过结温数值迭代算法，确定额定风速下，结温阈值对应的开关频率fth具体数值，确定热管理时需要调节开关频率的值。
在一些实施例中，步骤S400后还包括如下步骤：
S450：计算一年中最高环境温度下不同风速的最大结温值，取最大结温值等于或恰好大于低频结温阈值或基频结温阈值时对应的风速为风速阈值；
S460：当风速大于风速阈值时，将IGBT模块的开关频率下降至开关频率的工作区间内。
可以理解的是，仅有当风速超过风速阈值时，结温才有可能超过结温阈值，所以当风速大于风速阈值时将开关频率控制在工作区间内，即可确保全年IGBT模块的结温均不超过结温阈值，及启动热管理的工作区间为风速大于等于风速阈值。
本发明所述的计算机可读的存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被设计为运行时执行上述IGBT模块的热管理方法。
下面以爱尔兰卡文地区2017年一整年的风速和气温数据，分析某一风电发电系统在该地区的IGBT模块的寿命消耗。其中风电变流器的运行参数如表1所示。
表1 1.2MW风电变流器运行参数
Figure BDA0003084137200000061
经过寿命评估后，IGBT模块消耗的寿命如表2所示：
表2 IGBT模块消耗的寿命
Figure BDA0003084137200000062
由表2可知，该风力发电系统无论在机侧及网侧，IGBT模块的寿命损耗均以低频结温波动为主原因，固选择低频结温波动为主要的抑制结温波动的类型。
对IGBT模块的网侧CLL的分布规律得到表3：
表3 IGBT模块CLL和ΔTj,L的分布规律
Figure BDA0003084137200000063
Figure BDA0003084137200000071
由表3可知，有相当一部分的低频结温波动导致的寿命消耗是由幅值较高的低频结温波动导致的。幅值高于90℃的低频结温波动仅占总的低频结温波动的0.005％，但它导致的寿命消耗则占全部低频结温波动引起的寿命消耗的15.544％。因此抑制幅值较高的低频结温波动可以显著降低IGBT模块的寿命消耗。因此热管理控制目标应侧重选取幅值较高的低频结温波动，现在选取目标低频结温波动ΔTpred为100℃为例，由于不同热循环周期的最高结温和最低结温并不相同，所以以考虑极端工况来确定结温阈值，选择一年当中最低的环境温度Tamin＝-6.71℃作为IGBT模块允许工作的最低结温，即当变流器处于停机状态时，模块结温等于环境温度。由于结温波动等于最高结温减去最低结温，所以可以获得IGBT模块允许运行的最高结温为Tjmax,pred＝Tamin+ΔTpred＝93.29℃。即在风电变流器全年运行过程中，需要保持IGBT模块的最大运行结温不超过93.29℃，才能确保IGBT模块低频结温波动不超过100℃。
基于结温数值迭代方法，可以获得在最高环境温度42.74℃下的风速阈值8.9m/s，即当风速大于等于8.9m/s时，才需要执行热管理工作。并且由结温数值迭代算法，可以确定在最高环境温度下，额定风速下将开关频率控制在1149Hz时，IGBT模块的结温不会超过93.29℃。所以当风速超过风速阈值8.9m/s时，将IGBT模块的开关频率调整至1149Hz即可保证结温始终低于93.29℃。
采用上述热管理方法前后的低频结温波动的分布如表4所示：
表4热管理前后ΔTj,L的分布规律
Figure BDA0003084137200000072
由于在计算结温阈值时考虑了最极端的情况，所以在抑制了幅值为100℃低频结温波动的同时，还抑制了其他幅值的结温波动，实际的寿命消耗效果会高于预期。

Claims (2)

1.一种IGBT模块的热管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：根据至少一整年的风速、气温数据及IGBT模块的功率损耗模型，获取IGBT模块的基频结温数据，包括以下步骤：
S110：获取一整年的风速和气温数据，带入到风机模型中计算每个任务工况下变流器的运行功率；
S120：将每个任务工况下变流器的运行功率带入到IGBT模块的功率损耗模型中，获得每个开关周期下的开关损耗和导通损耗；
S130：采用结温数值迭代法，获得长时间任务工况下IGBT模块的结温数据，即基频结温数据；
S200：采用循环计数方法从基频结温数据中提取低频结温数据，利用IGBT寿命模型和线性累计损伤法则计算IGBT模块的低频寿命消耗和基频寿命消耗；其中，循环计数方法为雨流计数法；线性累计损伤法则为Miner累计法则；IGBT寿命模型为Bayerer寿命模型；
S300：选择低频寿命消耗和基频寿命消耗中占比更高的为重点抑制的结温波动类型，并量化分析占比更高的寿命消耗的分布规律，确定目标结温波动幅值；
S400：计算需要抑制的结温波动类型的结温阈值和对应的电气参量值和热管理工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过结温阈值；其中，电气参量包括IGBT模块的开关频率；包括以下步骤：
S410：若低频寿命消耗大于基频寿命消耗，则进入步骤S420；若基频寿命消耗大于低频寿命消耗，则进入步骤S430；
S420：将一年中的最低环境温度设定为IGBT模块允许运行的最低结温；
S421：将最低结温与低频结温波动幅值相加获得低频结温阈值，进入步骤S440；
S430：将基频结温波动幅值作为基频结温阈值，进入步骤S440；
S440：根据低频结温阈值或基频结温阈值确定电气参量值和热管理工作区间，调节电气参量控制IGBT模块的结温不超过低频结温阈值或基频结温阈值；
S450：计算一年中最高环境温度下不同风速的最大结温值，取最大结温值等于低频结温阈值或基频结温阈值时对应的风速为风速阈值；
S460：当风速大于风速阈值时，将IGBT模块的开关频率下降至开关频率的工作区间内。
2.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行根据权利要求1所述的IGBT模块的热管理方法。
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