CN113987998B - 基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，首先确定实际工况，计算结温壳温信息，采用雨流计数法处理结温壳温数据，然后搭建功率循环装置模型，进行温度循环配对与优化处理，生成加速老化曲线，最后计算试验工况并检验效果。本发明的应用不受应用场合限制，能够获得对应不同实际工况下的加速老化曲线与试验工况。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体模块领域，具体涉及一种基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，高压大功率电力电子装置广泛应用于智能电网，新能源发电，电动汽车等场合。电力电子装置在这些场合下会面临复杂严酷的工况，如不同的环境温度和负载的持续变化，在这种工况下，功率半导体模块是电力设备的主要故障源之一。研究功率半导体模块的可靠性和提升其寿命成为一个重要的问题。功率循环试验是评估与封装技术相关的功率半导体模块在温度应力方面的可靠性性能的一种重要而有效的方法。功率循环试验能够研究模块的失效机理，总结模块易失效部位的寿命公式，对模块可靠性方面的设计提供指导。
现有技术的缺陷和不足：
1)现有技术主要分为直流功率循环试验和交流功率循环试验，在直流功率循环试验中，由于器件处于常通状态，模块没有开关损耗，器件结温的升高仅仅是导通损耗引起，一方面会引起键合线所受应力与实际不同，另一方面没有对器件施加母线电压应力，栅极应力，除此之外，也没有考虑到负载和环境温度的变化。
2)现有交流功率循环试验方案对器件施加了母线电压应力和栅极应力，但大部分没有考虑到实际工况中负载的波动，最新的研究结果中所提出的基于实际工况的功率循环方案中只考虑了在功率循环试验中考虑实际工况中的结温波动，然而，功率半导体模块的壳温波动会对模块基板焊料层的老化产生影响，在现有最新研究成果中并未考虑到这一点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，以解决现有技术存在的问题，本发明的应用不受应用场合限制，能够获得对应不同实际工况下的加速老化曲线与试验工况。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，包括以下步骤；
S1:确定全控型功率半导体模块在实际工况中的电流、电压和温度这些工况信息；选择全控型功率半导体模块的损耗模型；选择使用的全控型功率半导体模块热阻抗模型和散热器的热阻抗模型；由全控型功率半导体模块的损耗模型、热阻抗模型和散热器的热阻抗模型组成的电热联合仿真模型，由电热联合仿真模型计算出全控型功率半导体模块在实际工况下的结温曲线与壳温曲线，并对波动频率大于50Hz的结温波动取平均值，处理后的结温曲线称为平均结温曲线；
S2:使用雨流计数法处理全控型功率半导体模块的平均结温曲线与壳温曲线，提取出全控型功率半导体模块在实际工况下的结温循环与壳温循环；
S3:设置结温循环与壳温循环过滤阈值Tjth和Tcth，滤除结温波动幅值小于Tjth的结温循环和壳温波动幅值小于Tcth的壳温循环；
S4:首先确定功率循环装置中散热器的热阻抗模型，根据全控型功率半导体模块损耗模型、热阻抗模型和功率循环装置散热器的热阻抗模型建立功率循环装置电热联合仿真模型，该模型主电路部分为全桥逆变电路，输出为频率50Hz的正弦交流电流，除此之外还包括壳温控制模型；壳温控制模型需要进行控制系统参数的整定，控制系统输入为全控型功率半导体模块的目标壳温，输出为一个电流周期内的正弦调制信号的调制比，使用控制算法对壳温进行控制，使壳温能够跟随目标壳温曲线进行变化；
S5:在S4中建立的功率循环装置电热联合仿真模型中，当壳温线性上升时，壳温瞬时值、结温在一个电流周期平均值与壳温上升斜率具有线性关系，通过此线性关系拟合出壳温上升斜率与壳温瞬时值、结温在一个电流周期平均值的公式；使用基于整数规划的配对算法对S3得到的结温循环与壳温循环进行配对，一个配对中包括一个结温循环与一个壳温循环；
S6:使用温度循环等效替代的方法进行配对后的优化处理，获得最终的结温循环与壳温循环配对结果；
S7:使用改进的雨流重建算法对配对结果进行处理，获得不含时间轴的温度曲线，温度曲线包括壳温曲线和结温平均值曲线，根据S6所得配对中的壳温循环最大值与结温循环最大值使用S5中拟合出来的公式计算出的壳温上升的斜率，根据壳温上升斜率确定每一个配对循环在试验工况中的壳温上升时间，根据S4中提出的功率循环装置的散热器热阻抗模型的时间常数确定配对循环在试验工况中的壳温下降时间，根据每一个配对循环的壳温上升时间和壳温下降时间确定温度曲线的时间轴，获得带时间轴的温度曲线，将获得的带时间轴的温度曲线称为加速老化曲线；
S8:以S7中获得的加速老化曲线中的壳温曲线作为控制系统的输入在仿真软件中对S4中的功率循环装置电热联合仿真模型进行仿真，计算得到结温与壳温曲线，对结温在电流周期的波动取平均值获得结温平均值曲线，壳温曲线和结温平均值曲线称为试验工况，对试验工况使用雨流计数法进行处理，得到的结果与实际工况下的计数结果进行对比，即能够观察结温应力与壳温应力复原结果，并进行交流功率循环试验。
进一步地，步骤S1中损耗模型包括如下模型之一或组合：
基于模块中半导体器件物理模型的损耗计算模型；
基于器件行为模型的损耗计算模型；
基于器件数据手册或官网损耗信息的损耗计算模型。
进一步地，步骤S1中热阻抗模型采用Foster热网络模型和Cauer热网络模型中的一种或两种的组合。
进一步地，步骤S2中：将S1获得的结温曲线输入雨流计数法，即获得结温循环，将S1中的壳温曲线输入雨流计数法，即获得壳温循环。
进一步地，步骤S5中，对于S4中的功率循环装置电热联合仿真模型，当壳温线性上升时，忽略暂态过程，结温在一个电流周期平均值也会线性变化，通过最小二乘法拟合出结温在一个电流周期平均值Tj与壳温Tc、壳温上升斜率k的公式，定义表示温度循环的符号(T1,T2),(T1,T2)代表一个最小值为T1，最大值为T2的温度循环，在功率循环试验中，对于一个壳温循环(Tcmin,Tcmax)，控制其上升斜率k，即能够同时实现不同的结温循环(Tcmin,Tjmax)，使配对的Tcmin与Tjmin的值相差足够小，即能够认为壳温循环(Tcmin,Tcmax)与结温循环(Tjmin,Tjmax)同时发生，使用整数规划算法为每个壳温循环寻找配对的结温循环，对每个壳温循环，定义其与其他结温循环的适应度函数m，下式为适应度函数m的范例，用于使配对中的Tcmin和Tjmin更接近，适应度函数m能够根据实际情况进行改变：
其中(Tcmin,Tcmax)表示壳温循环，(Tjmin,Tjmax)表示结温循环。
使用整数规划算法确定配对结果，目标函数Z为所有配对的适应度函数之和，规定幅值最大的壳温循环与幅值最大的结温循环配对，每一个壳温循环配对一个结温循环，由于结温循环数量多于壳温循环，因此，规定每一个壳温循环必须有一个结温循环与之配对，使用整数规划算法使目标函数Z取最小值,数学模型如下所示：
其中，Sc表示壳温循环对应集合，Sj表示结温循环对应集合,imax表示幅值最大的壳温循环，umax表示幅值最大的结温循环,m为配对循环的适应度函数；
定义结温循环与壳温循环配对的符号(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)，(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)表示该循环配对由壳温循环(Tcmin,Tcmax)和结温循环(Tjmin,Tjmax)组成。
进一步地，S6中使用温度循环等效替代的方法进行配对后的优化处理，具体为：
对于结温循环最小值与壳温循环最小值存在较大差值的配对，进行如下处理：
若abs(Tjmin-Tcmin)>2,则将原本的配对一个配对(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)变为两个配对，(Tjmin,Tjmin+Tca,Tjmin,Tjmax)，0<Tca≤Tcth，和(Tcmin,Tcmax,Tcmin,Tcmin+Tja)，0<Tja≤Tjth，Tca和Tja一般情况下取最大值，若最大值时计算出来的壳温上升斜率k为负，则缩小Tca，使k计算结果为正；若某个配对对应的k始终不为正，则规定一个较小的正数给该配对对应的k，并在程序结果中弹出配对警告；
对于在配对中没有找到壳温循环的结温循环，进行如下处理：
若结温循环(Tjmin,Tjmax)没有找到配对，增加一个壳温循环(Tjmin,Tjmin+Tca)，0<Tca≤Tcth，使其组成配对(Tjmin,Tjmin+Tca,Tjmin,Tjmax)，Tca一般情况下取最大值，若最大值时计算出来的壳温上升斜率k为负，则缩小Tca，使k计算结果为正,若k始终不为正，则规定一个较小的正数给k，并在程序结果中弹出配对警告，至此，优化处理完成。
进一步地，步骤S7中将S6中获得的优化处理后的若干组结温循环与壳温循环配对结果转化为不带时间轴的壳温曲线与结温曲线，改进的雨流重建算法为雨流计数法的逆过程，具体步骤如下：
(1)首先将所有未重建的壳温循环和结温循环分别记为壳温循环待重建组和结温循环待重建组，初始状态下所有循环均在待重建组，将壳温循环雨流重建结果记为Vc，将结温循环雨流重建结果记为Vj，Vc，Vj初始值为空，随着雨流重建过程的进行，其中会加入重建的结果，形成一个数组。将壳温循环中幅值最大的一组壳温循环作为Vc的初始值，将结温循环中幅值最大的一组结温循环作为Vj的初始值，设幅值最大的壳温循环为(Tcmin0,Tcmax0),插入到Vc后的结果为[Tcmin0,Tcmax0,Tcmin0]，结温循环的初始值同理，将加入雨流重建结果集合的循环在待重建组中删去；
(2)在壳温循环待重建组中选取具有最大幅值的壳温循环插入Vc中，在所有可插入的位置中，寻找壳温循环和壳温循环所配对结温循环也能够插入的位置，具体是指：对于Vc中两个连续的元素为Tv,Tv+1，Vj中的两个连续元素Rv,Rv+1,其中v表示数组的索引，也即数组中的第v个元素，若壳温循环(Tcmin,Tcmax)满足Tcmax<max(Tv,Tv+1)且Tcmin>min(Tv,Tv+1),结温循环(Tjmin,Tjmax)满足Tjmax<max(Rv,Rv+1)且Tjmin>min(Rv,Rv+1)。则数组索引v称为能够插入的位置。若Tv>Tv+1,则插入结果为[…Tv,Tcmin,Tcmax,Tv+1…],否则插入结果为[…Tv,Tcmax,Tcmin,Tv+1…]，若Rv>Rv+1,则插入结果为[…Rv,Tjmin,Tjmax,Rv+1…],否则插入结果为[…Rv,Tjmax,Tjmin,Rv+1…],在待重建组中删去已经插入到VC和VJ的壳温循环以及与其配对的结温循环；如果配对无法找到可插入位置，则同样将其从待重建组中删除，并在程序输出结果中弹出重建失败警告；
(3)若待重建组不为空，则返回(2)；否则重建过程结束，获得的Vc和Vj分别为不含时间轴的壳温曲线和结温曲线。
进一步地，将步骤S7中获得的不含时间轴的结温曲线和壳温曲线转化为包含时间轴的加速老化曲线，具体过程为：获得Vc和Vj的结果后，通过S4中拟合的公式计算出配对循环对应的斜率值k(Tjmax,Tcmax)，并根据下式计算出每一个配对循环在试验工况中的壳温上升时间：
其中，trise为壳温上升时间，Tmin_b为Vc中Tcmax前面的元素。
根据S4中功率循环装置的散热器热阻抗模型的时间常数确定壳温下降时间，具体计算方法如下式所示：
其中，tfall表示壳温下降时间，τh为散热器时间常数，Th为环境温度，经过tfall后，壳温即从Tcmax降为Tcmin；
根据每一个配对循环的上升时间与下降时间能够确定温度曲线的时间轴，获得加速老化曲线，将加速老化曲线中的壳温曲线作为功率循环装置仿真模型的控制系统输入，即能够低成本进行验证，后续能够将加速老化曲线中的壳温曲线作为实际装置的输入进行功率循环试验。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
现有对于全控型功率半导体模块可靠型分析的技术主要有直流功率循环试验，温度循环试验，高温栅极应力试验等，一种试验主要针对一种失效模式，而实际中不同失效是相互耦合的，而且功率循环试验，温度循环试验中对全控型功率半导体模块施加的温度变化与实际工况中的温度变化并不相同，因此，一种考虑实际工况的，工作状态与实际工况相同的，具有一定加速因子的可靠性试验方案成为需要，在本发明提出的功率循环方案中，器件工作于逆变器工况下，工作状态与实际工况相同，本方案考虑到了实际工况中的栅极应力，母线电压应力与温度应力，而且通过使用S6，S7中提到的整数规划算法和改进雨流重建算法同时复原了实际工况中的壳温应力与结温应力，考虑到了不同失效机理的耦合，比现有方案能更好的模拟实际工况，反映功率半导体模块的真实寿命，除此之外，本文S7中提取出的加速老化工况是基于实际工况中的应力提取出来的，可以适应不同的工况，增加了本方案的适用范围。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为WLTP工况下器件壳温与结温曲线图；
图3为WLTP工况下器件壳温与结温曲线的雨流计数结果，其中(a)为壳温循环雨流计数结果，(b)为结温循环雨流计数结果；
图4为全控型功率半导体模块与散热器热网络示意图；
图5为功率循环装置原理图；
图6为施加试验工况后仿真结果中的壳温曲线与结温曲线；
图7为实际工况与试验工况壳温曲线的雨流计数结果对比，其中(a)为壳温循环平均值对比结果，(b)为壳温循环幅值对比结果；
图8为实际工况与试验工况结温曲线的雨流计数结果对比，其中(a)为结温循环平均值对比结果，(b)为壳温循环幅值对比结果。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种基于电力工况的功率半导体模块功率循环方法，电力工况指功率半导体模块工作时的电压，电流，温度信息，功率循环试验指模块芯片间歇流过电流从而产生间歇发热功率，从而使器件产生温度波动的试验方法。
本发明的功率循环试验采用单相桥式PWM逆变电路，单极性调制，输出定频率50Hz交流正弦电流。拓扑与现有交流功率循环试验方法相同，不同之处在本发明对模块施加的工况是基于模块实际工况的，而且采用了对壳温的控制方案。
一种基于电力工况的全控型功率半导体模块交流功率循环方法，该方法具体包括以下步骤：
S1:全控型功率半导体模块的应用工况为模块在应用场景中的电压，电流，驱动信号，环境温度。首先选择全控型功率半导体模块的损耗模型，接着选择使用的全控型功率半导体模块和散热器的热阻抗模型，随后由损耗模型和热阻抗模型组成的电热联合仿真模型计算出全控型功率半导体模块在实际工况下的结温曲线与壳温曲线
步骤S1具体为：根据全控型功率半导体模块在应用工况下的温度，电压，电流，使用以下方法之一或组合
-基于模块中半导体器件物理模型的损耗计算模型。
-基于器件行为模型的损耗计算模型。
-基于器件数据手册或官网损耗信息的损耗计算模型。
计算在不同温度，电压，电流和驱动信号下的全控型功率半导体模块的损耗。
热阻抗模型可采用以下几种之一或组合
-Foster型热网络模型
-Cauer型热网络模型
全控型功率半导体模块的损耗输入热阻抗模型产生温升，结温值会被送入损耗计算模型，以此考虑温度对损耗的影响，完成电热耦合。
S2:使用雨流计数法处理全控型功率半导体模块结温与壳温曲线，提取出模块在实际工况下的结温循环与壳温循环。
S3:滤除结温波动幅值小于Tjth的结温循环和壳温波动幅值小于Tcth的壳温循环,当结温波动与壳温波动幅值小于一定范围时，其对模块寿命的影响非常小，Tjth和Tcth可以根据实际情况设置。
S4:进行控制系统参数的整定，控制系统输入为模块的壳温，输出为一个电流周期内的正弦调制信号的调制比，使用控制算法对壳温进行控制，使壳温能够跟随目标壳温曲线进行变化。
S5:根据功率循环试验中，壳温瞬时值，结温在一个电流周期平均值与壳温上升斜率的线性关系，拟合出壳温上升斜率与壳温瞬时值，结温在一个电流周期平均值的公式。使用基于整数规划的配对算法对结温循环与壳温循环进行配对，一个配对中包括一个结温循环与一个壳温循环。
步骤S5中，对于器件的热阻抗模型，当壳温线性变化时，忽略暂态过程，结温在一个电流周期平均值也会线性变化，通过最小二乘法拟合出结温在一个电流周期平均值Tj与壳温Tc，壳温上升斜率k公式。定义表示温度循环的符号(T1,T2),(T1,T2)代表一个最小值为T1，最大值为T2的温度循环。对于一个壳温循环(Tcmin,Tcmax),控制其上升斜率k，即可对应不同的结温循环(Tcmin,Tjmax)(不考虑结温在一个电流周期内的波动)。在S2步骤中提取出的是众多的壳温循环与结温循环，因此需要将结温循环与壳温循环进行配对，并通过控制壳温循环(Tcmin,Tcmax)中的壳温上升斜率k在S4中的功率循环装置电热联合仿真模型中使结温循环(Tcmin,Tjmax)同时发生，对于结温循环(Tjmin,Tjmax)，若Tcmin与Tjmin的值相差足够小，即可认为壳温循环(Tcmin,Tcmax)与结温循环(Tjmin,Tjmax)在功率循环装置电热联合仿真模型中同时发生。Tcmin和Tjmin越接近，本方法在实际应用中引起的误差越小。使用整数规划算法为每个壳温循环寻找配对的结温循环，对每个壳温循环，定义其与其他结温循环的适应度函数m，m的定义如下式所示，其出发点是使个配对中的Tcmin和Tjmin更接近。
目标函数为所有配对的适应度函数之和，规定幅值最大的壳温循环与幅值最大的结温循环配对，每一个壳温循环配对一个结温循环，由于结温循环数量多于壳温循环，因此，规定每一个壳温循环必须有一个结温循环与之配对，使用整数规划算法确定配对结果，使目标函数Z取最小值,数学模型如下所示。
其中，Sc表示壳温循环对应集合，Sj表示结温循环对应集合,imax表示幅值最大的壳温循环，umax表示幅值最大的结温循环,m为配对循环的适应度函数。
定义结温循环与壳温循环配对的符号(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)，(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)表示该配对由壳温循环(Tcmin,Tcmax)和结温循环(Tjmin,Tjmax)组成。
S6:使用温度循环等效替代的方法来进行配对优化处理,获得最终的结温循环与壳温循环配对结果。
步骤S6中，对于结温循环最小值与壳温循环最小值存在较大差值的配对，进行如下优化处理：
若abs(Tjmin-Tcmin)>2,则将原本的一个配对(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)变为两个配对，(Tjmin,Tjmin+Tca,Tjmin,Tjmax)，0<Tca≤Tcth，和(Tcmin,Tcmax,Tcmin,Tcmin+Tja)，0<Tja≤Tjth，Tca和Tja一般情况下取最大值，若最大值时计算出来的壳温上升斜率k为负，则缩小Tca，使k计算结果为正；若某个配对对应的k始终不为正，则规定一个较小的正数给该配对对应的k，并在程序结果中弹出配对警告。
对于在配对中没有找到壳温循环的结温循环，进行如下处理：
若结温循环(Tjmin,Tjmax)没有找到配对，增加一个壳温循环(Tjmin,Tjmin+Tca)，0<Tca≤Tcth，使其组成配对(Tjmin,Tjmin+Tca,Tjmin,Tjmax)，至此，配对完成Tca一般情况下取最大值，若取最大值时计算出来的壳温上升斜率k为负，则缩小Tca，使k计算结果为正,若k始终不为正，则规定一个较小的正数给k，并在程序结果中弹出配对警告。
S7:使用改进的雨流重建算法对配对结果进行处理，改进雨流重建算法能够考虑到对结温循环和壳温循环的同时复原，使用改进雨流重建算法处理完毕后，获得不含时间轴的结温曲线和壳温曲线。根据配对中计算出的壳温上升的斜率确定每一个配对循环在试验工况中的壳温上升时间，根据热阻抗模型确定配对循环在试验工况中的壳温下降时间，使用每个配对的壳温上升时间和壳温下降时间即可获得包含时间轴的壳温曲线和结温曲线，也即加速老化曲线，将加速老化曲线中的壳温曲线作为功率循环装置仿真模型的控制系统输入，即可低成本对本方法进行验证，后续将加速老化曲线中的壳温曲线作为实际装置的输入进行功率循环试验。
步骤S7中，改进的雨流重建算法过程步骤如下
(1)首先将所有未重建的壳温循环和结温循环分别记为壳温循环待重建组和结温循环待重建组，初始状态下所有循环均在待重建组，将壳温循环雨流重建结果记为Vc，将结温循环雨流重建结果记为Vj，Vc，Vj初始值为空，随着雨流重建过程的进行，其中会加入重建的结果，形成一个数组。将壳温循环中幅值最大的一组壳温循环作为Vc的初始值，将结温循环中幅值最大的一组结温循环作为Vj的初始值，设幅值最大的壳温循环为(Tcmin0,Tcmax0),插入到Vc后的结果为[Tcmin0,Tcmax0,Tcmin0]，结温循环的初始值同理，将加入雨流重建结果集合的循环在待重建组中删去；
(2)在壳温循环待重建组中选取具有最大幅值的壳温循环插入Vc中，在所有可插入的位置中，寻找壳温循环和壳温循环所配对结温循环也能够插入的位置，具体是指：对于Vc中两个连续的元素为Tv,Tv+1，Vj中的两个连续元素Rv,Rv+1,其中v表示数组的索引，也即数组中的第v个元素，若壳温循环(Tcmin,Tcmax)满足Tcmax<max(Tv,Tv+1)且Tcmin>min(Tv,Tv+1),结温循环(Tjmin,Tjmax)满足Tjmax<max(Rv,Rv+1)且Tjmin>min(Rv,Rv+1)。则数组索引v称为能够插入的位置。若Tv>Tv+1,则插入结果为[…Tv,Tcmin,Tcmax,Tv+1…],否则插入结果为[…Tv,Tcmax,Tcmin,Tv+1…]，若Rv>Rv+1,则插入结果为[…Rv,Tjmin,Tjmax,Rv+1…],否则插入结果为[…Rv,Tjmax,Tjmin,Rv+1…],在待重建组中删去已经插入到VC和VJ的壳温循环以及与其配对的结温循环；如果配对无法找到可插入位置，则同样将其从待重建组中删除，并在程序输出结果中弹出重建失败警告。
(3)若待重建组不为空，则返回(2)；否则重建过程结束，获得的Vc和Vj为不含时间轴的壳温曲线和结温曲线。
壳温上升时间和下降时间的具体计算过程为：获得Vc和Vj的结果后，通过S4中拟合的公式计算出配对循环对应的斜率值k(Tjmax,Tcmax)，并根据下式计算出每一个配对循环在试验工况中的壳温上升时间：
其中，trise为壳温上升时间，Tmin_b为Vc中Tcmax前面的元素。
根据S4中功率循环装置的散热器热阻抗模型的时间常数确定壳温下降时间，具体计算方法如下式所示：
其中，tfall表示壳温下降时间，τh为散热器时间常数，Th为环境温度，经过tfall后，壳温即可从Tcmax降为Tcmin。
S8:在仿真软件中对以加速老化曲线中的壳温曲线作为控制系统输入的功率循环装置仿真模型进行仿真，得到的结温在电流周期平均值的曲线与壳温曲线称为试验工况，对试验使用雨流计数法进行处理，得到的结果与实际工况下的计数结果进行对比，观察复原效果，之后可以进行功率循环试验，将目标壳温曲线施加于模块上。
下面结合具体实例对本发明做进一步详细说明，所述内容均为对本发明的解释，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动就是本发明的保护范围。
本发明实例提供了一种基于电力工况的功率半导体模块功率循环方法，其实施方式如附图1所示：
首先建立IGBT模块损耗模型：以英飞凌公司的FF225R12ME4半桥模块为例，在官网下载器件的PLECS模型导入PLECS中，模型包括模块在不同电压，电流，温度下的损耗信息，此模型为基于官网损耗信息的损耗计算模型。热阻抗模型选取器件数据手册中的等效Foster模型。选取电动汽车在全球统一轻型车辆(WLTP)工况下的电机驱动的工况作为实际工况，通过仿真获取电机驱动中半桥模块的温度信息，环境温度设置为50℃恒定，在PLECS中搭建仿真电路图，首先由电动汽车的速度获得电动汽车电机的转矩与转速，之后使用基于dq变换的双闭环控制计算出系统的电应力，最后根据电应力计算出热应力，得到的被试半桥模块上管平均结温曲线与壳温曲线如附图2所示。
本实例规定幅值小于15℃的结温波动和幅值小于10℃的壳温波动会被滤除，这些小幅值温度波动对器件寿命影响较小，滤除对寿命影响较小的循环后，得到的结果作频数分布直方图，如附图3所示。
在同一个时间段内，若要同时实现壳温循环(Tcmin,Tcmax)与结温循环(Tjmin,Tjmax),则需要对壳温循环与结温循环进行一一配对，首先研究壳温线性变化时，结温在电流周期平均值与壳温之间的关系
将壳温与结温联系在一起的是热网络
如附图4所示，当Tc线性增加时，Q1线性增加，由于Qj1,Qj2,Qd1,Qd2近似成比例，因此可以认为Qj1和Qj2线性增加，Qj1和Qj2通过结壳热网络时会产生温度差，温度差线性增加，因此经过几个结壳热网络的时间常数的暂态过程后，Tj1和Tj2也线性增加，即壳温线性变化时，忽略暂态过程，结温在电流周期的平均值也线性变化。
接下来进行控制系统参数的整定，控制系统采用遇限削弱积分PI控制算法，整定结果为Kp＝0.4，KI＝0.1。
之后拟合结温Tj与壳温Tc和壳温上升速率k的关系，在仿真电路中，使壳温从50℃以不同的上升速率k上升到Tcmax，记录壳温上升到Tcmax时的结温Tjmax，k分别取5℃/s，10℃/s，15℃/s，20℃/s,Tcmax分别取55℃，60℃，65℃，70℃，75℃，最终得到拟合结果如下式所示。
Tjmax＝1.257k+1.44Tcmax-23.74
得到壳温与结温的关系后，进行温度信息配对与优化处理，使用整数规划算法为每个壳温循环寻找配对的结温循环，对每个壳温循环，定义其与其他结温循环的适应度函数m，m的定义如下式所示。
规定幅值最大的壳温循环与幅值最大的结温循环配对，每一个壳温循环只可以配对一个结温循环，每一个结温循环也只能配对一个壳温循环，由于一般情况下结温循环数量会多于壳温循环，因此，规定每一个壳温循环必须有一个结温循环与之配对，定义结温循环与壳温循环配对的符号(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)，(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)表示该循环配对由(Tcmin,Tcmax)这个壳温循环和(Tjmin,Tjmax)这个结温循环配对而成。
对于结温循环最小值与壳温循环最小值存在较大差值的配对，进行如下的优化处理：
若abs(Tjmin-Tcmin)>2,则增加一个配对(Tjmin,Tjmin+5,Tjmin,Tjmax)，对于原来的壳温循环(Tcmin,Tcmax)，使其配对一个幅值较小的结温循环，配对结果为(Tcmin,Tcmax,Tcmin,Tcmin+14)，幅值小于Tjth的结温波动和幅值小于Tcth的壳温波动在本发明中对寿命的影响忽略不计。
对于在配对中没有找到壳温循环的结温循环，进行如下处理：
若结温循环(Tjmin,Tjmax)没有找到配对，增加一个壳温循环(Tjmin,Tjmin+5)使其组成配对(Tjmin,Tjmin+5,Tjmin,Tjmax)，至此，配对与优化处理过程完成。
配对与优化处理完成后，进行加速老化曲线的生成，加速老化曲线的生成需要使用改进的雨流重建算法获得不含时间轴的壳温曲线与结温曲线后加入时间轴。
加速老化曲线生成后，将加速老化曲线中的壳温曲线作为功率循环装置仿真模型的控制系统输入在仿真平台中进行仿真，功率循环装置的原理图如附图5所示，仿真获得的试验工况如附图6所示，将试验工况下的壳温曲线，结温在电流周期平均值曲线使用雨流计数法进行处理，结果如附图7，附图8所示，由附图7，可以认为本发明使功率循环试验复原了实际工况中的壳温应力，由附图8可知，本发明基本复原了实际工况中的结温应力，由附图6可以看到，本发明在620s对器件施加了原工况1800s中的应力，加速因子为2.9。
以上结合具体实例对本发明的具体实施方式对本发明作了进一步详细说明，所述内容均为对本发明的解释但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动就是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1:确定全控型功率半导体模块在实际工况中的电流、电压和温度这些工况信息；选择全控型功率半导体模块的损耗模型；选择使用的全控型功率半导体模块热阻抗模型和散热器的热阻抗模型；由全控型功率半导体模块的损耗模型、热阻抗模型和散热器的热阻抗模型组成的电热联合仿真模型，由电热联合仿真模型计算出全控型功率半导体模块在实际工况下的结温曲线与壳温曲线，并对波动频率大于50Hz的结温波动取平均值，处理后的结温曲线称为平均结温曲线；
S2:使用雨流计数法处理全控型功率半导体模块的平均结温曲线与壳温曲线，提取出全控型功率半导体模块在实际工况下的结温循环与壳温循环；
S3:设置结温循环与壳温循环过滤阈值Tjth和Tcth，滤除结温波动幅值小于Tjth的结温循环和壳温波动幅值小于Tcth的壳温循环；
S4:首先确定功率循环装置中散热器的热阻抗模型，根据全控型功率半导体模块损耗模型、热阻抗模型和功率循环装置散热器的热阻抗模型建立功率循环装置电热联合仿真模型，该模型主电路部分为全桥逆变电路，输出为频率50Hz的正弦交流电流，除此之外还包括壳温控制模型；壳温控制模型需要进行控制系统参数的整定，控制系统输入为全控型功率半导体模块的目标壳温，输出为一个电流周期内的正弦调制信号的调制比，使用控制算法对壳温进行控制，使壳温能够跟随目标壳温曲线进行变化；
S5:在S4中建立的功率循环装置电热联合仿真模型中，当壳温线性上升时，壳温瞬时值、结温在一个电流周期平均值与壳温上升斜率具有线性关系，通过此线性关系拟合出壳温上升斜率与壳温瞬时值、结温在一个电流周期平均值的公式；使用基于整数规划的配对算法对S3得到的结温循环与壳温循环进行配对，一个配对中包括一个结温循环与一个壳温循环；
步骤S5中，对于S4中的功率循环装置电热联合仿真模型，当壳温线性上升时，忽略暂态过程，结温在一个电流周期平均值也会线性变化，通过最小二乘法拟合出结温在一个电流周期平均值Tj与壳温Tc、壳温上升斜率k的公式，定义表示温度循环的符号(T1,T2),(T1,T2)代表一个最小值为T1，最大值为T2的温度循环，在功率循环试验中，对于一个壳温循环(Tcmin,Tcmax)，控制其上升斜率k，即能够同时实现不同的结温循环(Tcmin,Tjmax)，使配对的Tcmin与Tjmin的值相差足够小，即能够认为壳温循环(Tcmin,Tcmax)与结温循环(Tjmin,Tjmax)同时发生，使用整数规划算法为每个壳温循环寻找配对的结温循环，对每个壳温循环，定义其与其他结温循环的适应度函数m，下式为适应度函数m的范例，用于使配对中的Tcmin和Tjmin更接近，适应度函数m能够根据实际情况进行改变：
其中(Tcmin,Tcmax)表示壳温循环，(Tjmin,Tjmax)表示结温循环；
使用整数规划算法确定配对结果，目标函数Z为所有配对的适应度函数之和，规定幅值最大的壳温循环与幅值最大的结温循环配对，每一个壳温循环配对一个结温循环，由于结温循环数量多于壳温循环，因此，规定每一个壳温循环必须有一个结温循环与之配对，使用整数规划算法使目标函数Z取最小值,数学模型如下所示：
其中，Sc表示壳温循环对应集合，Sj表示结温循环对应集合,imax表示幅值最大的壳温循环，umax表示幅值最大的结温循环,m为配对循环的适应度函数；
定义结温循环与壳温循环配对的符号(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)，(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)表示该循环配对由壳温循环(Tcmin,Tcmax)和结温循环(Tjmin,Tjmax)组成；
S6:使用温度循环等效替代的方法进行配对后的优化处理，获得最终的结温循环与壳温循环配对结果；
S7:使用改进的雨流重建算法对配对结果进行处理，获得不含时间轴的温度曲线，温度曲线包括壳温曲线和结温平均值曲线，根据S6所得配对中的壳温循环最大值与结温循环最大值使用S5中拟合出来的公式计算出的壳温上升的斜率，根据壳温上升斜率确定每一个配对循环在试验工况中的壳温上升时间，根据S4中提出的功率循环装置的散热器热阻抗模型的时间常数确定配对循环在试验工况中的壳温下降时间，根据每一个配对循环的壳温上升时间和壳温下降时间确定温度曲线的时间轴，获得带时间轴的温度曲线，将获得的带时间轴的温度曲线称为加速老化曲线；
S8:以S7中获得的加速老化曲线中的壳温曲线作为控制系统的输入在仿真软件中对S4中的功率循环装置电热联合仿真模型进行仿真，计算得到结温与壳温曲线，对结温在电流周期的波动取平均值获得结温平均值曲线，壳温曲线和结温平均值曲线称为试验工况，对试验工况使用雨流计数法进行处理，得到的结果与实际工况下的计数结果进行对比，即能够观察结温应力与壳温应力复原结果，并进行交流功率循环试验。
2.根据权利要求1所述的基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，步骤S1中损耗模型包括如下模型之一或组合：
基于模块中半导体器件物理模型的损耗计算模型；
基于器件行为模型的损耗计算模型；
基于器件数据手册或官网损耗信息的损耗计算模型。
3.根据权利要求1所述的基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，步骤S1中热阻抗模型采用Foster热网络模型和Cauer热网络模型中的一种或两种的组合。
4.根据权利要求1所述的基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，步骤S2中：将S1获得的结温曲线输入雨流计数法，即获得结温循环，将S1中的壳温曲线输入雨流计数法，即获得壳温循环。
5.根据权利要求1所述的基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，S6中使用温度循环等效替代的方法进行配对后的优化处理，具体为：
对于结温循环最小值与壳温循环最小值存在较大差值的配对，进行如下处理：
若abs(Tjmin-Tcmin)>2,则将原本的配对一个配对(Tcmin,Tcmax,Tjmin,Tjmax)变为两个配对，(Tjmin,Tjmin+Tca,Tjmin,Tjmax)，0<Tca≤Tcth，和(Tcmin,Tcmax,Tcmin,Tcmin+Tja)，0<Tja≤Tjth，Tca和Tja一般情况下取最大值，若最大值时计算出来的壳温上升斜率k为负，则缩小Tca，使k计算结果为正；若某个配对对应的k始终不为正，则规定一个较小的正数给该配对对应的k，并在程序结果中弹出配对警告；
对于在配对中没有找到壳温循环的结温循环，进行如下处理：
若结温循环(Tjmin,Tjmax)没有找到配对，增加一个壳温循环(Tjmin,Tjmin+Tca)，0<Tca≤Tcth，使其组成配对(Tjmin,Tjmin+Tca,Tjmin,Tjmax)，Tca一般情况下取最大值，若最大值时计算出来的壳温上升斜率k为负，则缩小Tca，使k计算结果为正,若k始终不为正，则规定一个较小的正数给k，并在程序结果中弹出配对警告，至此，优化处理完成。
6.根据权利要求1所述的基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，步骤S7中将S6中获得的优化处理后的若干组结温循环与壳温循环配对结果转化为不带时间轴的壳温曲线与结温曲线，改进的雨流重建算法为雨流计数法的逆过程，具体步骤如下：
(1)首先将所有未重建的壳温循环和结温循环分别记为壳温循环待重建组和结温循环待重建组，初始状态下所有循环均在待重建组，将壳温循环雨流重建结果记为Vc，将结温循环雨流重建结果记为Vj，Vc，Vj初始值为空，随着雨流重建过程的进行，其中会加入重建的结果，形成一个数组，将壳温循环中幅值最大的一组壳温循环作为Vc的初始值，将结温循环中幅值最大的一组结温循环作为Vj的初始值，设幅值最大的壳温循环为(Tcmin0,Tcmax0),插入到Vc后的结果为[Tcmin0,Tcmax0,Tcmin0]，结温循环的初始值同理，将加入雨流重建结果集合的循环在待重建组中删去；
(2)在壳温循环待重建组中选取具有最大幅值的壳温循环插入Vc中，在所有可插入的位置中，寻找壳温循环和壳温循环所配对结温循环也能够插入的位置，具体是指：对于Vc中两个连续的元素为Tv,Tv+1，Vj中的两个连续元素Rv,Rv+1,其中v表示数组的索引，也即数组中的第v个元素，若壳温循环(Tcmin,Tcmax)满足Tcmax<max(Tv,Tv+1)且Tcmin>min(Tv,Tv+1),结温循环(Tjmin,Tjmax)满足Tjmax<max(Rv,Rv+1)且Tjmin>min(Rv,Rv+1)，则数组索引v称为能够插入的位置，若Tv>Tv+1,则插入结果为[…Tv,Tcmin,Tcmax,Tv+1…],否则插入结果为[…Tv,Tcmax,Tcmin,Tv+1…]，若Rv>Rv+1,则插入结果为[…Rv,Tjmin,Tjmax,Rv+1…],否则插入结果为[…Rv,Tjmax,Tjmin,Rv+1…],在待重建组中删去已经插入到VC和VJ的壳温循环以及与其配对的结温循环；如果配对无法找到可插入位置，则同样将其从待重建组中删除，并在程序输出结果中弹出重建失败警告；
(3)若待重建组不为空，则返回(2)；否则重建过程结束，获得的Vc和Vj分别为不含时间轴的壳温曲线和结温曲线。
7.根据权利要求6所述的基于电力工况的全控型功率半导体模块功率循环方法，其特征在于，将步骤S7中获得的不含时间轴的结温曲线和壳温曲线转化为包含时间轴的加速老化曲线，具体过程为：获得Vc和Vj的结果后，通过S4中拟合的公式计算出配对循环对应的斜率值k(Tjmax,Tcmax)，并根据下式计算出每一个配对循环在试验工况中的壳温上升时间：
其中，trise为壳温上升时间，Tmin_b为Vc中Tcmax前面的元素；
根据S4中功率循环装置的散热器热阻抗模型的时间常数确定壳温下降时间，具体计算方法如下式所示：
其中，tfall表示壳温下降时间，τh为散热器时间常数，Th为环境温度，经过tfall后，壳温即从Tcmax降为Tcmin；
根据每一个配对循环的上升时间与下降时间能够确定温度曲线的时间轴，获得加速老化曲线，将加速老化曲线中的壳温曲线作为功率循环装置仿真模型的控制系统输入，即能够低成本进行验证，后续能够将加速老化曲线中的壳温曲线作为实际装置的输入进行功率循环试验。
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