CN113343449A - 一种风电变流器igbt模块焊料空洞识别方法、系统和介质 - Google Patents
一种风电变流器igbt模块焊料空洞识别方法、系统和介质 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113343449A CN113343449A CN202110576141.8A CN202110576141A CN113343449A CN 113343449 A CN113343449 A CN 113343449A CN 202110576141 A CN202110576141 A CN 202110576141A CN 113343449 A CN113343449 A CN 113343449A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thermal resistance
- igbt module
- igbt
- ref
- tested
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000004519 grease Substances 0.000 claims description 15
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 5
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质,方法包括以下步骤:获取待测IGBT模块的电参数和温度参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;建立热网模型,进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc,得到待测IGBT模块的自热阻更新值和耦合热阻更新值;对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻。与现有技术相比,本发明利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻,与相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻进行比较,从而识别焊料空洞,分析空洞损伤程度,还分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值,为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT模块监测技术领域,尤其是涉及一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为交直流转换的功率半导体器件,兼具MOSFET 和GTR的高输入阻抗、低导通压降的优点,而且饱和压降低、驱动功率小,因而广泛应用于光伏和风力发电、电动汽车、轨道交通、智能电网等需要进行能源变换与传输的行业。焊料层是IGBT模块多层结构中最易损坏的部分之一,其出现焊料空洞也是焊料层的主要问题之一。究其原因,在IGBT模块的真空回流焊接过程中,由于工艺限制,焊接层会存在空洞。并且,在IGBT工作期间,由于空洞不稳定、功率的频繁变化以及材料热膨胀系数的不匹配,会导致空洞的进一步增大,进而使 IGBT模块过热失效。
由于目前的技术手段难以实现非侵入性结点温度采集,因此最早的IGBT健康评估主要取决于对温度敏感的电参数的测量。但是,这种方法不涉及传热机制,并且对测量电路的设计有很高的要求,因此电方法在非电焊料疲劳识别中仍然面临许多挑战。随着有限元仿真软件的普及,电热耦合的传热分析已成为识别焊料疲劳的新方向。通过使用有限元分析,有学者发现焊料疲劳会影响IGBT模块中整个温度场的概率分布,然后提出基于温度梯度统计特性的焊料疲劳识别方法。但是这种方法属于接触测量,寄生参数可能会受到影响。解决此问题的一种方法是使用低于直接覆铜陶瓷粘结层的外壳温度作为监测参数,以识别焊料疲劳。在基焊料层边缘裂纹的状态的情况下研究了温度趋势,他们发现IGBT的中央壳体温度与裂纹生长变化,所以外壳温度是指示老化程度的有效参数。中国发明专利CN104573266A公开了一种基于三维建模的分析空洞对IGBT热可靠性影响的方法,通过三维建模来分析焊料层空洞,但是,不可以在线实时监测。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质,利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻,与健康IGBT模块在相同工况下的动态可识别热阻进行比较,从而实时识别焊料空洞,分析空洞损伤程度,还分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值,为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,包括以下步骤:
S1、确定一个工况,获取待测IGBT模块在该工况下的电参数和温度参数;
S2、基于电参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;
S3、建立热网模型,对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc;
S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻ΔRc;以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻Rc为基础,得到待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
进一步的,所述电参数包括IGBT电参数和续流二极管电参数,其中,IGBT 电参数包括:正向导通压降Vceo、正向导通电阻rce、集电极电流Ic、占空比D和开关频率fsw,续流二极管电参数包括:正向导通压降Vfo和正向导通电阻rf;所述温度参数包括:环境温度Ta、IGBT壳温和续流二极管壳温。
更进一步的,IGBT模块的功率损耗包括IGBT功率损耗PI和续流二极管功率损耗PD,计算公式为:
PI=[Vceo+rce·Ic]·Ic·D+[Eon+Eoff]·fsw
PD=[Vfo+rf·Ic]·Ic·(1-D)+Err(Ic)·fsw
其中,Eon和Eoff分别表示IGTB的开通能量损耗和关断能量损耗,Err表示续流二极管能量损耗,计算公式为:
其中,ic(t)表示实时电流。
更进一步的,步骤S3中,计算待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括以下步骤:
A1、建立热网模型,Tc-Ta=Ploss·Z,其中,Tc表示壳温,Ploss表示功率损耗, Z表示等效热阻;
A2、动态可识别热阻Rc包括散热器等效热阻Rch和导热油脂等效热阻Rha,对热网模型进行拉普拉斯变换:
其中,Tc(I)(s)和Tc(D)(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温,Ta(s)表示环境温度,PI(s)和PD(s)分别表示IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗,G1(s)和 G2(s)分别表示IGBT等效电导和续流二极管等效电导,Rch(I)和Rch(D)分别表示IGBT 散热器等效热阻值和续流二极管散热器等效热阻值,Rha(I)和Rha(D)分别表示IGBT 导热油脂等效热阻值和续流二极管导热油脂等效热阻值,Cch(I)、Cha(I)、Cch(D)和Cha(D)是事先获取的IGBT和续流二极管的等效热容值;
A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域:
A4、对Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD进行离散化处理:
其中,k表示采样时间;取多组Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD值,使用最小二乘法 RLS拟合得到a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2,从而得到动态可识别热阻Rc,如下:
待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
更进一步的,健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)计算过程如下:
获取健康IGBT模块的电参数和温度参数,基于电参数,计算健康IGBT模块的功率损耗;将健康IGBT模块的温度参数和功率损耗代入下式,求解得到健康 IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref):
Tc(I)(ref)-Ta(ref)=PI(ref)·Rc(I)(ref)
Tc(D)(ref)-Ta(ref)=PD(ref)·Rc(D)(ref)
健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括Rc(I)(ref)和Rc(D)(ref),其中,Tc(I)(ref)表示IGBT壳温,Tc(D)(ref)表示续流二极管壳温,Ta(ref)表示环境温度,PI(ref)表示IGBT 功率损耗,PD(ref)表示续流二极管功率损耗。
进一步的,步骤S4中,动态焊料空洞等效热阻ΔRc为相同工况下待测IGBT 模块与健康IGBT模块的动态可识别热阻的差值:
ΔRc(I)=Rc(I)-Rc(I)(ref)
ΔRc(D)=Rc(D)-Rc(D)(ref)
健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括Rc(I)(ref)和Rc(D)(ref),待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
更进一步的,步骤S4中,获取待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和耦合热阻更新值具体为:
获取待测IGBT模块的IGBT功率损耗PI和续流二极管功率损耗PD,获取最小二乘法RLS拟合得到的待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc,以功率损耗比PD/PI为横坐标,以动态可识别热阻Rc为纵坐标,得到拟合直线,所述拟合直线在y轴的截距值为待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值,所述拟合直线的斜率为待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别系统,包括:
数据获取单元,获取待测IGBT模块在预选定的工况下的电参数和温度参数;
第一处理单元,基于电参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;
第二处理单元,建立热网模型,对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc;
第三处理单元,对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻ΔRc;以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻Rc为基础,得到待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
进一步的,第二处理单元中,计算待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括以下步骤:
A1、建立热网模型,Tc-Ta=Ploss·Z,其中,Tc表示壳温,Ploss表示功率损耗, Z表示等效热阻;
A2、动态可识别热阻Rc包括散热器等效热阻Rch和导热油脂等效热阻Rha,对热网模型进行拉普拉斯变换:
其中,Tc(I)(s)和Tc(D)(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温,Ta(s)表示环境温度,PI(s)和PD(s)分别表示IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗,G1(s)和 G2(s)分别表示IGBT等效电导和续流二极管等效电导,Rch(I)和Rch(D)分别表示IGBT 散热器等效热阻值和续流二极管散热器等效热阻值,Rha(I)和Rha(D)分别表示IGBT 导热油脂等效热阻值和续流二极管导热油脂等效热阻值,Cch(I)、Cha(I)、Cch(D)和Cha(D)是事先获取的IGBT和续流二极管的等效热容值;
A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域:
A4、对Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD进行离散化处理:
其中,k表示采样时间;取多组Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD值,使用最小二乘法 RLS拟合得到a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2,从而得到动态可识别热阻Rc,如下:
其中,待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
一种计算机存储介质,其上存储有可执行的计算机程序,所述计算机程序被执行时实现风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法。
与现有技术相比,本发明利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻,与健康IGBT模块在相同工况下的动态可识别热阻进行比较,从而实时识别焊料空洞,分析空洞损伤程度,还分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值,为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1:
一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,如图1所示,包括以下步骤:
S1、确定一个工况,获取待测IGBT模块在该工况下的电参数和温度参数;
S2、基于电参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;
S3、建立热网模型,对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc;
S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻ΔRc;以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻Rc为基础,得到待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别系统,包括:
数据获取单元,获取待测IGBT模块在预选定的工况下的电参数和温度参数;
第一处理单元,基于电参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;
第二处理单元,建立热网模型,对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc;
第三处理单元,对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻ΔRc;以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻Rc为基础,得到待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
一种计算机存储介质,其上存储有可执行的计算机程序,计算机程序被执行时实现风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法。
IGBT模块的电参数包括IGBT电参数和续流二极管电参数,其中,IGBT电参数包括:正向导通压降Vceo、正向导通电阻rce、集电极电流Ic、占空比D和开关频率fsw,续流二极管电参数包括:正向导通压降Vfo和正向导通电阻rf;IGBT模块的温度参数包括:环境温度Ta、IGBT壳温和续流二极管壳温。
集电极电流Ic、占空比D等可以使用示波器测量得到,正向导通压降Vceo、正向导通电阻rce、正向导通压降Vfo和正向导通电阻rf可以查阅IGBT数据使用手册获取。
IGBT模块的功率损耗包括IGBT功率损耗PI和续流二极管功率损耗PD,计算公式为:
PI=[Vceo+rce·Ic]·Ic·D+[Eon+Eoff]·fsw
PD=[Vfo+rf·Ic]·Ic·(1-D)+Err(Ic)·fsw
其中,Eon和Eoff分别表示IGTB的开通能量损耗和关断能量损耗,Err表示续流二极管能量损耗,计算公式为:
其中,ic(t)表示实时电流。
为了后续比较待测IGBT模块和健康IGBT模块的动态可识别热阻,本实施例中,如图1所示,先测量健康IGBT模块在不同工况下的参数,使用上述功率损耗计算公式计算健康IGBT模块在不同工况下的功率损耗,从而得到健康IGBT模块在不同工况下的动态可识别热阻Rc(ref),这样,选定一个工况计算待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc后,就可以找到对应工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻 Rc(ref)进行比较。
在其他实施方式中,也可以确定待测IGBT模块的工况,令健康IGBT模块工作在与待测IGBT模块相同的工况下,即集电极电流Ic、占空比D、环境温度Ta等工况参数相同,使用上述功率损耗计算公式得到健康IGBT模块在相同工况下的功率损耗,从而得到健康IGBT模块在该工况下的动态可识别热阻Rc(ref)。
结合健康IGBT模块在的功率损耗和热网模型可以计算健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),热网模型即使用功率损耗和动态可识别热阻表示壳温与环境温度的差值,如下:
Tc(I)(ref)-Ta(ref)=PI(ref)·Rc(I)(ref)
Tc(D)(ref)-Ta(ref)=PD(ref)·Rc(D)(ref)
健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括Rc(I)(ref)和Rc(D)(ref),其中,Tc(I)(ref)表示IGBT壳温,Tc(D)(ref)表示续流二极管壳温,Ta(ref)表示环境温度,PI(ref)表示IGBT 功率损耗,PD(ref)表示续流二极管功率损耗。
对于待测IGBT模块,焊料层可能存在空洞,计算待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括以下步骤:
A1、建立热网模型,Tc-Ta=Ploss·Z,其中,Tc表示壳温,Ploss表示功率损耗, Z表示等效热阻;
A2、动态可识别热阻Rc包括散热器等效热阻Rch和导热油脂等效热阻Rha,对热网模型进行拉普拉斯变换:
其中,Tc(I)(s)和Tc(D)(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温,Ta(s)表示环境温度,PI(s)和PD(s)分别表示IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗,G1(s)和 G2(s)分别表示IGBT等效电导和续流二极管等效电导,Rch(I)和Rch(D)分别表示IGBT 散热器等效热阻值和续流二极管散热器等效热阻值,Rha(I)和Rha(D)分别表示IGBT 导热油脂等效热阻值和续流二极管导热油脂等效热阻值,Cch(I)、Cha(I)、Cch(D)和Cha(D)是事先获取的IGBT和续流二极管的等效热容值,可以通过查阅IGBT数据使用手册获取;
A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域:
A4、对Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD进行离散化处理:
其中,k表示采样时间,如0、1、2…;取多组Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD值,使用最小二乘法RLS拟合得到a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2,从而得到动态可识别热阻Rc,如下:
待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
动态焊料空洞等效热阻ΔRc具体为待测IGBT模块的动态可识别热阻与健康 IGBT模块的动态可识别热阻的差值:
ΔRc(I)=Rc(I)-Rc(I)(ref)
ΔRc(D)=Rc(D)-Rc(D)(ref)
健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括Rc(I)(ref)和Rc(D)(ref),待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
通过动态焊料空洞等效热阻ΔRc可以识别焊料空洞损伤程度,为IGBT模块后续健康监测提供基础。
获取待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和耦合热阻更新值具体为:获取待测IGBT模块的IGBT功率损耗PI和续流二极管功率损耗PD,获取最小二乘法RLS拟合得到的待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc,以功率损耗比PD/PI为横坐标,以动态可识别热阻Rc为纵坐标,得到拟合直线,拟合直线在y轴的截距值为待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值,拟合直线的斜率为待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
通过自热阻更新值和耦合热阻更新值,可以分析焊料空洞的增加,为进一步分析焊料空洞的损耗原因奠定了基础。
本申请提出了一种适用于动态载荷的基础焊料空洞识别的理论方法,采用热网络模型,基于RLS算法的实时识别设计,涵盖了基础焊料空隙对外壳温度,温度- 热阻转换和不同功率损耗比下的动态热阻参考校准实现。本申请相对于现有技术的优点是:利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻,与健康IGBT模块在相同工况下的动态可识别热阻进行比较,从而实时识别待测IGBT模块的焊料空洞,分析空洞损伤程度,还可以分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值,为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、确定一个工况,获取待测IGBT模块在该工况下的电参数和温度参数;
S2、基于电参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;
S3、建立热网模型,对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc;
S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻ΔRc;以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻Rc为基础,得到待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
2.根据权利要求1所述的一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,其特征在于,所述电参数包括IGBT电参数和续流二极管电参数,其中,IGBT电参数包括:正向导通压降Vceo、正向导通电阻rce、集电极电流Ic、占空比D和开关频率fsw,续流二极管电参数包括:正向导通压降Vfo和正向导通电阻rf;所述温度参数包括:环境温度Ta、IGBT壳温和续流二极管壳温。
4.根据权利要求3所述的一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,其特征在于,步骤S3中,计算待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括以下步骤:
A1、建立热网模型,Tc-Ta=Ploss·Z,其中,Tc表示壳温,Ploss表示功率损耗,Z表示等效热阻;
A2、动态可识别热阻Rc包括散热器等效热阻Rch和导热油脂等效热阻Rha,对热网模型进行拉普拉斯变换:
其中,Tc(I)(s)和Tc(D)(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温,Ta(s)表示环境温度,PI(s)和PD(s)分别表示IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗,G1(s)和G2(s)分别表示IGBT等效电导和续流二极管等效电导,Rch(I)和Rch(D)分别表示IGBT散热器等效热阻值和续流二极管散热器等效热阻值,Rha(I)和Rha(D)分别表示IGBT导热油脂等效热阻值和续流二极管导热油脂等效热阻值,Cch(I)、Cha(I)、Cch(D)和Cha(D)是事先获取的IGBT和续流二极管的等效热容值;
A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域:
A4、对Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD进行离散化处理:
其中,k表示采样时间;取多组Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD值,使用最小二乘法RLS拟合得到a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2,从而得到动态可识别热阻Rc,如下:
待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
5.根据权利要求3所述的一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,其特征在于,健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)计算过程如下:
获取健康IGBT模块的电参数和温度参数,基于电参数,计算健康IGBT模块的功率损耗;将健康IGBT模块的温度参数和功率损耗代入下式,求解得到健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref):
Tc(I)(ref)-Ta(ref)=PI(ref)·Rc(I)(ref)
Tc(D)(ref)-Ta(ref)=PD(ref)·Rc(D)(ref)
健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括Rc(I)(ref)和Rc(D)(ref),其中,Tc(I)(ref)表示IGBT壳温,Tc(D)(ref)表示续流二极管壳温,Ta(ref)表示环境温度,PI(ref)表示IGBT功率损耗,PD(ref)表示续流二极管功率损耗。
6.根据权利要求1所述的一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,其特征在于,步骤S4中,动态焊料空洞等效热阻ΔRc为相同工况下待测IGBT模块与健康IGBT模块的动态可识别热阻的差值:
ΔRc(I)=Rc(I)-Rc(I)(ref)
ΔRc(D)=Rc(D)-Rc(D)(ref)
健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括Rc(I)(ref)和Rc(D)(ref),待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
7.根据权利要求3所述的一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,其特征在于,步骤S4中,获取待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和耦合热阻更新值具体为:
获取待测IGBT模块的IGBT功率损耗PI和续流二极管功率损耗PD,获取最小二乘法RLS拟合得到的待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc,以功率损耗比PD/PI为横坐标,以动态可识别热阻Rc为纵坐标,得到拟合直线,所述拟合直线在y轴的截距值为待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值,所述拟合直线的斜率为待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
8.一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别系统,其特征在于,基于如权利要求1-7中任一所述的风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法,包括:
数据获取单元,获取待测IGBT模块在预选定的工况下的电参数和温度参数;
第一处理单元,基于电参数,计算待测IGBT模块的功率损耗;
第二处理单元,建立热网模型,对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换,结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc;
第三处理单元,对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref),得到动态焊料空洞等效热阻ΔRc;以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻Rc为基础,得到待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和待测IGBT模块在空洞损伤下的耦合热阻更新值。
9.根据权利要求8所述的一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别系统,其特征在于,第二处理单元中,计算待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc(ref)包括以下步骤:
A1、建立热网模型,Tc-Ta=Ploss·Z,其中,Tc表示壳温,Ploss表示功率损耗,Z表示等效热阻;
A2、动态可识别热阻Rc包括散热器等效热阻Rch和导热油脂等效热阻Rha,对热网模型进行拉普拉斯变换:
其中,Tc(I)(s)和Tc(D)(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温,Ta(s)表示环境温度,PI(s)和PD(s)分别表示IGBT功率损耗和续流二极管功率损耗,G1(s)和G2(s)分别表示IGBT等效电导和续流二极管等效电导,Rch(I)和Rch(D)分别表示IGBT散热器等效热阻值和续流二极管散热器等效热阻值,Rha(I)和Rha(D)分别表示IGBT导热油脂等效热阻值和续流二极管导热油脂等效热阻值,Cch(I)、Cha(I)、Cch(D)和Cha(D)是事先获取的IGBT和续流二极管的等效热容值;
A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域:
A4、对Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD进行离散化处理:
其中,k表示采样时间;取多组Tc(I)、Tc(D)、Ta、PI和PD值,使用最小二乘法RLS拟合得到a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2和d2,从而得到动态可识别热阻Rc,如下:
其中,待测IGBT模块的动态可识别热阻Rc包括Rc(I)和Rc(D)。
10.一种计算机存储介质,其上存储有可执行的计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-7中任一所述的风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110576141.8A CN113343449A (zh) | 2021-05-26 | 2021-05-26 | 一种风电变流器igbt模块焊料空洞识别方法、系统和介质 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110576141.8A CN113343449A (zh) | 2021-05-26 | 2021-05-26 | 一种风电变流器igbt模块焊料空洞识别方法、系统和介质 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113343449A true CN113343449A (zh) | 2021-09-03 |
Family
ID=77471502
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110576141.8A Pending CN113343449A (zh) | 2021-05-26 | 2021-05-26 | 一种风电变流器igbt模块焊料空洞识别方法、系统和介质 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113343449A (zh) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100110623A1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-06 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Driver circuit and display device |
CN106407608A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-02-15 | 华北电力大学 | 一种考虑热耦合的压接igbt模块稳态结温预测模型 |
CN106443400A (zh) * | 2016-09-14 | 2017-02-22 | 河北工业大学 | 一种igbt模块的电‑热‑老化结温计算模型建立方法 |
CN108108573A (zh) * | 2018-01-15 | 2018-06-01 | 北京理工大学 | 一种igbt功率模块结温动态预测方法 |
CN109597966A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-09 | 上海大郡动力控制技术有限公司 | 电机控制器中功率元件igbt结温的估算方法 |
CN109871591A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-06-11 | 武汉大学 | 一种igbt功率模块在线估算结温的方法 |
CN110765601A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-02-07 | 北京北方华德尼奥普兰客车股份有限公司 | 一种基于igbt热电耦合模型的igbt结温估计方法 |
CN111259583A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-06-09 | 重庆大学 | 基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法 |
CN112685908A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-04-20 | 西南交通大学 | 一种基于复频域的igbt结温估算快速迭代方法 |
-
2021
- 2021-05-26 CN CN202110576141.8A patent/CN113343449A/zh active Pending
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100110623A1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-06 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Driver circuit and display device |
CN106443400A (zh) * | 2016-09-14 | 2017-02-22 | 河北工业大学 | 一种igbt模块的电‑热‑老化结温计算模型建立方法 |
CN106407608A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-02-15 | 华北电力大学 | 一种考虑热耦合的压接igbt模块稳态结温预测模型 |
CN108108573A (zh) * | 2018-01-15 | 2018-06-01 | 北京理工大学 | 一种igbt功率模块结温动态预测方法 |
CN109597966A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-09 | 上海大郡动力控制技术有限公司 | 电机控制器中功率元件igbt结温的估算方法 |
CN109871591A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-06-11 | 武汉大学 | 一种igbt功率模块在线估算结温的方法 |
CN110765601A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-02-07 | 北京北方华德尼奥普兰客车股份有限公司 | 一种基于igbt热电耦合模型的igbt结温估计方法 |
CN111259583A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-06-09 | 重庆大学 | 基于空洞率的igbt模块焊料层疲劳老化失效模拟方法 |
CN112685908A (zh) * | 2021-01-06 | 2021-04-20 | 西南交通大学 | 一种基于复频域的igbt结温估算快速迭代方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
FAN YUHUI等: "《Base solder voids identification of IGBT modules using case temperature》", 《MICROELECTRONICS RELIABILITY》 * |
任秉韬: "《四轮驱动电动汽车转矩协调优化控制研究》", 《工程科技Ⅱ辑》 * |
硬件狗: ""【建议收藏】电驱系统中IGBT损耗快速计算公式"", 《HTTPS://ZHUANLAN.ZHIHU.COM/P/86772561》 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11215657B2 (en) | Real-time online prediction method for dynamic junction temperature of semiconductor power device | |
CN107315877B (zh) | 一种预测功率器件结温的方法及系统 | |
CN106443400B (zh) | 一种igbt模块的电-热-老化结温计算模型建立方法 | |
CN107192934B (zh) | 一种用于大功率igbt的结壳瞬态热阻抗的测量方法 | |
Baba et al. | Active Power Cycling Test Bench for SiC Power MOSFET s—Principles, Design, and Implementation | |
CN106301150B (zh) | 电驱动系统中功率半导体器件中的温度估计 | |
CN107944209A (zh) | 一种计算光伏逆变器元器件igbt工作温度的方法 | |
CN112818622B (zh) | 一种多芯片并联igbt模块可靠性综合评价方法及系统 | |
CN113591336B (zh) | 一种客车车下电源igbt模块寿命预测方法及其系统 | |
Chen et al. | Electrothermal-based junction temperature estimation model for converter of switched reluctance motor drive system | |
CN115994464A (zh) | 基于裂纹长度扩展的功率器件剩余寿命预测方法及系统 | |
CN109490739B (zh) | 对绝缘栅双极型晶体管模块的结温进行在线估算的方法及模块 | |
CN111060797A (zh) | 一种基于热网络自然频率的igbt模块健康状态监测方法 | |
CN107238761A (zh) | 开关放大器、梯度放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法 | |
CN114492039B (zh) | 一种基于热阻抗模型的igbt结温估计方法 | |
CN114091286A (zh) | 一种基于特性曲线的mmc子模块igbt通态损耗分析方法 | |
Qiu et al. | Review of igbt junction temperature extraction and estimation methods | |
CN113343449A (zh) | 一种风电变流器igbt模块焊料空洞识别方法、系统和介质 | |
Wang et al. | Fast and accurate temperature estimation of three-level IGBT converter based on 3-D coupled thermal model | |
Sun et al. | Junction temperature estimation in IGBT power modules based on Kalman filter | |
CN115575787A (zh) | 一种igbt模块健康状态监测方法及装置 | |
Tian et al. | A thermal network model for thermal analysis in automotive IGBT modules | |
CN113987747A (zh) | 一种考虑键合线断裂的igbt模块老化失效分析方法 | |
Sun et al. | Thermal characteristics of liquid metal interconnects for power semiconductors | |
Yu et al. | Condition monitoring the thermal path degradation of IGBT module using the time constants of junction temperature cooling curves |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210903 |