CN117034648A - 新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法 - Google Patents

新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117034648A
CN117034648A CN202311079118.3A CN202311079118A CN117034648A CN 117034648 A CN117034648 A CN 117034648A CN 202311079118 A CN202311079118 A CN 202311079118A CN 117034648 A CN117034648 A CN 117034648A
Authority
CN
China
Prior art keywords
junction temperature
cycle
module
real
counting
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
Application number
CN202311079118.3A
Other languages
English (en)
Inventor
王异凡
曾明全
龚金龙
王一帆
骆丽
孙明
王尊
陈晓刚
邵先军
郑一鸣
宋琦华
张恬波
罗皓泽
项恩耀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Original Assignee
Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd filed Critical Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority to CN202311079118.3A priority Critical patent/CN117034648A/zh
Publication of CN117034648A publication Critical patent/CN117034648A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

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
    • G06F2119/02—Reliability analysis or reliability optimisation; Failure analysis, e.g. worst case scenario performance, failure mode and effects analysis [FMEA]
    • 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
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
    • 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
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

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)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法。本发明在每两次结温采样的间隙执行，步骤如下：首先通过数据预处理模块筛选出发电功率模块的结温极值点，根据定时计算得出的发电功率模块结壳热阻选择不同的滤波器窗宽，并对初筛的结温极值点进行特定窗宽的滤波；在有效结温极值点个数不小于3个时，对其最新的三个值求相邻之间的幅值差，结合有效结温极值点的个数进行全循环和半循环的判断；根据预设的结温摆幅和平均结温的分析范围以及分析范围内分析区间的划分对原始计数结果进行标准化转换，并更新存储器中的循环计数二维表。本发明实现了高效率的实时雨流循环计数。

Description

新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法
技术领域
本发明属于新能源发电功率技术领域，具体地说是一种新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法。
背景技术
新能源发电设备的运行环境复杂，工况具有随机性和波动性的特点。在恶劣工作环境下，功率模块是新能源发电设备中最脆弱的子系统，因此有必要对功率模块的可靠性进行在线实时评估。功率模块的封装结构包含多种具有不同热膨胀系数的异质材料。在长期经历热载荷的过程中，模块会因为承受交变的热机械应力产生热疲劳退化，具体表现为出现焊料层空洞和裂纹以及键合线脱落的现象，影响功率模块的可靠性和使用寿命。
根据焊料层和键合线的老化现象，可将功率模块的使用寿命分为裂纹初始阶段、裂纹扩散阶段、不稳定阶段。相同的热机械应力对处于不同阶段的功率模块的损伤程度是不同的，换句话说，在不同阶段，功率模块因为承受热机械应力而造成显著损伤的最小热机械应力值是不同的。
功率模块由于热疲劳发生退化往往出现在长时间使用之后，这时模块已经老化，相关参数也发生变化，使得模块的疲劳失效难以预测。同时模块的老化速度会随着老化程度的加深越来越快，这也使得模块的剩余寿命难于预测。因此，有必要对功率模块进行实时热疲劳分析，这是功率模块可靠性与寿命评估的前提。
在疲劳分析领域，计数材料实际承受的应力应变循环，并根据计数结果进行疲劳试验或根据ε-N(或S-N)曲线计算损伤是比较合理的。由于新能源发电用功率模块的运行工况有着随机性的特点，这导致功率模块的热载荷历程也十分复杂。为了定量分析热机械应力对功率模块的损伤程度，需要从复杂的热载荷历程中提取完整的应力循环，进而得到载荷分布，此过程对应的方法被称为应力循环计数方法。其中载荷分布指应力循环的幅值以及该应力循环幅值对应的次数，对于新能源发电设备中功率模块的热疲劳分析，应力循环的幅值和均值对应的是结温循环的幅值和均值。在结构疲劳分析的发展中，出现了十几种应力循环计数方法，其中应用于工程的有：半周计数法、最大沿计数法、上升沿计数法、峰值计数法、最大最小计数法以及雨流计数法，这其中应用最广泛的是雨流计数法。
雨流计数法是由Matsuiski和Endo等人提出的一种双参数计数法，计数结果用应力幅值和应力均值的向量来表示。该方法考虑了材料应力－应变之间的非线性行为，认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，并且其塑性性质表现为应力－应变迟滞回线，如图1-2所示。这一计数原理赋予了雨流计数法物理意义，其计数结果用于疲劳分析后得到了更好的预测准确度，此后逐渐在工程界广泛推广，成为疲劳分析中应用范围最为广泛的应力循环计数方法。
传统雨流计数法对新能源发电用功率模块进行热疲劳分析的是一种离线的应力循环计数方法，需要在新能源发电设备运行结束后导出载荷数据执行程序，无法满足功率模块实时热疲劳分析的要求。
新能源发电系统正朝着智能化、物联网化的方向发展，各种配套技术也集成到了新能源发电设备上。这其中，由于采样技术和通信技术的升级，功率模块的温度参数和电气参数等状态信息可以实时收集和上传；由于微处理器技术的发展，微处理器实现了算力的大幅提升，这使得在采样周期中应用应力循环计数方法实时计算载荷分布成为可能。由此可见，为适应新能源发电用功率模块现场应用的要求，需要改进传统的雨流计数法，得到准确性高、实时性强的实时雨流计数方法。
已有的实时雨流计数方法大多用于力学结构的疲劳分析，鲜有针对新能源发电用功率模块的优化方案。在结构疲劳分析领域，实时雨流计数法主要有两类实现途径：第一类方法是在待评估对象的运行过程中，定时对采样得到的载荷历程执行传统的离线雨流计数法，以此来计数载荷历程中的应力循环，进而得到载荷分布。第二类方法是实时筛选载荷历程中的极值点，并将极大值和极小值分类处理。新的极小值与极小值缓存区中前一个极小值做大小判断，新的极大值与极大值缓存区中前一个的极大值做大小判断，以此来识别载荷分布中的全循环和半循环。具体来说，当筛选出新的载荷极值点后，先判断该极值点属于极大值还是极小值，并存入对应的极大值或极小值缓存区。以极小值为例，若该新的极小值大于等于极小值缓存区中前一个极小值，则读入新的数据；若该新的极小值小于前一个极小值，就统计极大值缓存区中数据的个数。若此时极大值缓存区中数据的个数为1，则对该极大值与前一个极小值计数半循环，并舍弃前一个极小值；若此时极大值缓存区中数据点个数大于1，则对最新的极大值与前一个极小值计数全循环，并舍弃前一个极小值和最新的极大值；若此时极大值缓存区中数据点个数为0，则读入新的数据，其具体流程如图3所示。
在已公开的专利中，CN111782706A提供了一种用于结构疲劳分析的去抖动的实时雨流计数方法，其基本思想采用的便是上述的第二类方法。在此基础上，它通过构建数据库的方式对未来可能发生应力循环计数抖动现象的数据点和对应的应力循环值进行暂存，借此来对数据抖动时的应力循环计数结果进行修正。
以上第一类方法本质上还是离线雨流计数算法，它有两种具体实现形式：第一种实现形式是只对算法执行周期内(即相邻两次执行实时雨流算法间隔的时间)采样到的载荷数据执行雨流计数法，这种方法的弊端是会丢失跨多个执行周期的应力循环；第二种实现形式是每次都对积累的全部载荷历程执行雨流计数算法，这种方法的弊端是需要较大的存储容量来储存载荷历程，并且由于累积的数据量会越来越大，对于算力确定的处理器，算法执行的时间也会越来越长。这些弊端与新能源发电用功率模块热疲劳分析对实时性、准确性以及算法简洁的要求矛盾，因此第一类实时雨流计数方法不适用于新能源发电用功率模块热疲劳的实时分析。
以上第二类方法是真正意义上的实时雨流计数方法，其本质是基于4点的离线雨流计数方法的改进，在执行时以极大值和极小值为标志，执行两个内容相似的分支，算法复杂度相比于单分支增加了1倍，使得流程较为复杂。
以上两类方法如果应用于功率模块的热疲劳分析，则均没有考虑到在不同阶段，功率模块因为承受热机械应力而造成显著损伤的最小热机械应力值是不同的，未超过此阈值的热机械应力对功率模块的损伤可以忽略。此外，在获取温度参数时可能存在采样抖动等情况，使得在载荷历程中存在很多微小的波动。所以，如若在功率模块的整个使用寿命中对采集到的所有载荷历程不加以筛选，均进行实时雨流计数，不仅会造成硬件资源的浪费，还会对计数结果的准确度造成影响。
发明内容
针对现有常规技术无法实现实时应力循环计数以及现有实时雨流计数方法存在复杂程度高、不适合新能源发电用功率模块现场应用的问题，本发明提供一种用于新能源发电功率模块热疲劳分析的实时雨流计数方法，其针对传统雨流计数方法作了改进，可以在硬件资源有限的变流器控制器上准确实时地对功率模块承受的热载荷进行应力循环计数，并将其转换为包含循环幅值、循环均值以及循环次数的载荷分布。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其包括：
采用初始化模块设置如下参数：结温采样频率，离散标准化结温摆幅范围的上界B u1、下界B l1和第一区间划分数n 1，离散标准化结温均值范围的上界B u2、下界B l2和第二区间划分数n 2，以及初始化储存器和缓存器(包括实时结温缓存器和结温极值点缓存器)；
采用结壳热阻计算模块计算发电功率模块中功率器件芯片到模块外壳之间的结壳热阻，结壳热阻计算模块的输入数据为结温、壳温、导通电压以及导通电流；
根据发电功率模块处于使用寿命的不同阶段时具有不同的结壳热阻，通过雨流滤波器窗宽选择模块选择合适的雨流滤波器窗宽；
数据预处理：采用数据预处理模块处理，此模块包含极值点筛选器和雨流滤波器，输入数据为实时结温数据T j和雨流滤波器窗宽，输出数据为有效的结温极值点数据；实时结温数据输入时先经过极值点筛选器，筛选出实时结温数据中的极值点，再将筛选出的极值点输入雨流滤波器，滤除对发电功率模块损伤可忽略的结温极值点或者因为采样抖动导致的波动小于1℃的结温极值点；
通过实时雨流循环计数模块对有效的结温极值点进行实时的应力循环计数，得到应力循环的原始计数结果，即应力循环幅值、应力循环均值以及对应的次数；
离散标准化：通过离散标准化模块将待分析的结温摆幅范围(B u1，B l1)平均划分成标准的n 1等份，将待分析的结温均值范围(B l2，B u2)平均划分成标准的n 2等份，并将实时雨流循环计数模块得到的应力循环的原始计数结果与这些区间匹配，记录为区间的上界值，并更新与这些区间对应的标准化应力循环；
通过存入储存器模块将离散标准化模块输出的标准化应力循环存入储存器中的二维表。
进一步地，所述的实时雨流循环计数模块中，在有效结温极值点个数不小于3个时，对其最新的三个值求相邻之间的幅值差，结合有效结温极值点的个数进行全循环和半循环的判断。
进一步地，所述的雨流滤波器窗宽选择模块中，所述的雨流滤波器窗宽为雨流滤波器第一窗宽/>、雨流滤波器第二窗宽/>或雨流滤波器第三窗宽/>，在发电功率模块裂纹生长的初始阶段，考虑结温摆幅超过雨流滤波器第一窗宽/>的应力循环；在裂纹扩散阶段，考虑结温摆幅超过雨流滤波器第二窗宽/>的应力循环；在发电功率模块不稳定阶段，考虑温度摆幅超过雨流滤波器第三窗宽/>的应力循环，其中/>；ω 1取值范围为（10~15℃］；ω 2取值范围为[6~10℃］；ω 3取值范围为3~5℃；
判断发电功率模块处于使用寿命的哪个阶段是以结壳热阻Zth(j-c)为依据，当结壳热阻低于阈值Z1时，对应发电功率模块裂纹生长的初始阶段，选择雨流滤波器第一窗宽，当结壳热阻超过Z1，但小于Z2时，对应发电功率模块的裂纹扩散阶段，选择雨流滤波器第二窗宽/>；当结壳热阻超过Z2时，对应发电功率模块不稳定阶段，选择雨流滤波器第三窗宽/>；设发电功率模块的初始结壳热阻为Z0，则Z1=1.05Z0，Z2=1.15Z0。
更进一步地，所述的结壳热阻计算模块中，结壳热阻由公式(1)计算得到，式中T j(t)为功率器件芯片温度，T c(t)为模块壳温，P IGBT(t)为功率器件芯片的瞬时功率损耗：
(4)。
进一步地，所述的数据预处理模块中，
将实时结温数据逐个输入实时结温缓存器，并针对最新的三个相邻的结温数据，将其代入公式(2)来判断位于中间的数据点/>是否为极值点，若(2)式成立，则判断/>是极值点；若(2)式不成立，则判断/>不是极值点，将/>向前移位至/>的位置，并读入新的实时结温数据作为/>的新值，重新执行极值点判断；
当被判断为极值点后，再判断/>之间的差值与雨流滤波器窗宽/>的大小关系：若/>，则删除/>，读入下一个实时结温数据作为/>的新值，重新执行大小判断；若/>，则保留/>，将/>存入结温极值点缓存器PV，移除/>并将/>前移至的位置，读入下一个实时结温数据作为/>的新值，该过程如公式(3)；
(5)
(6)。
进一步地，实时雨流循环计数模块实时处理数据预处理模块输出的有效的结温极值点数据，在每一个新的有效结温极值点筛选出来后执行实时雨流循环计数模块，实时识别有效结温极值点数据中的全循环和半循环，并在结温极值点数量不小于3个时循环执行，直至识别出结温极值点缓存器PV中的所有结温应力循环；
实时雨流循环计数模块每次执行时的作用对象仅为结温极值点缓存器中最新的三个点，执行内容为简单的加减和条件判断。
更进一步地，所述实时雨流循环计数模块的执行步骤如下：
1）将数据预处理模块筛选出的有效结温极值点逐点存入结温极值点缓存器PV，若无新值，则等待新值的到来；
2）检查结温极值点缓存器中数据的个数是否大于等于3，若否，则继续等待新值的输入；若是，则提取结温极值点缓存器中最新的三个值，按照写入的先后顺序分别标记为，即倒数第三个新值标记为/>，倒数第二个新值标记为/>，倒数第一个新值标记为；
3）计算中相邻两个值的幅值差：/>，/>；
4）比较与/>的大小关系；若/>，则继续等待新的有效结温极值点的输入，重新提取结温极值点缓存器中最新的三个值；若/>，进入下一个流程；
5）判断此时结温极值点缓存器PV中的数据个数是否为3，若为3，则进入半循环计数流程；若不为3，则进入全循环计数流程；
6）将全循环或半循环的原始计数结果输入离散标准化模块，得到标准化应力循环；
7）将标准化应力循环写入存储器中的全循环二维表或半循环二维表，此二维表为应力循环幅值、应力循环均值以及对应的次数；
8）判断新能源发电功率模块是否停止运行：若新能源发电功率模块停止运行，则结束实时雨流循环计数模块的执行；若新能源发电功率模块继续运行，则返回数据预处理模块等待新的结温采样值的输入。
再进一步地，步骤5）中，半循环计数流程如下：
用标记半循环，并记录应力循环幅值为/>，应力循环均值为，然后在结温极值点缓存器PV中移除/>。
再进一步地，步骤5）中，全循环计数流程如下：
用标记全循环，并记录应力循环幅值为/>，应力循环均值为，然后在结温极值点缓存器PV中移除/>。
进一步地，所述的离散标准化模块，预先确定待分析的应力循环幅值（也称结温摆幅）的范围(B l1,B u1)和应力循环均值（也称平均结温）的范围(B l2,B u2)，并分别将范围划分成n 1、n 2份区间；将实时雨流循环计数模块输出的应力循环幅值和均值/>与划分的区间相匹配，并更新对应区间的循环次数；以应力循环幅值为例，若设置的应力循环幅值的范围为(B l1,B u1)，将其划分为n 1份区间，则每份区间的宽度为/>，将/>换算为标准值：/>，如果计算结果超过离散标准化的上界B u1，则取为上界值B u1；对应力循环均值也做如此操作，得到应力循环均值的标准值/>，最后在全循环二维表的(/>位置加一次应力循环次数。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明提出的实时雨流计数方法能在每一个有效结温极值点筛选出来后，配合之前的两个有效结温极值点进行全循环和半循环的实时识别。
2、本发明采用逐点计算的形式，即可以在每两个采样的实时结温数据之间计算，不漏掉任何结温数据点，使得载荷分布的计数结果更加准确。
3、本发明提出的实时雨流计数方法不需要对载荷历程进行重新排序，减少流程复杂性的同时，也可以让计数流程更贴近发电功率模块的实际运行工况。
4、本发明中的实时雨流循环计数模块只涉及简单的条件判断和加减计算，并且只存在一个循环，循环中只涉及一个缓存器，所以该模块对算力和存储的要求也较低，为新能源发电功率模块载荷分布的实时在线计算以及热疲劳分析的现场应用提供了解决方案。
5、本发明采用了变窗宽的雨流滤波器设计，借助功率模块结壳热阻作为雨流滤波器窗宽的选择依据，在功率模块使用寿命的不同时期采用不同的滤波器窗宽，不仅可以滤除该时期对功率模块损伤可忽略的应力循环，还可以滤除由于采样波动造成的结温波动点。具体地，在功率模块使用前期，本发明只关注幅值较大的结温摆幅，而后根据结壳热阻判断功率模块的老化状态，从而改变雨流滤波器的窗宽将较小的结温摆幅纳入实时雨流计数的范围；如此可以减轻计算单元的计算压力以及缓存单元和存储单元的访问压力，在不牺牲准确性的前提下，节省硬件资源的开支。
附图说明
图1为全循环的载荷数据图；
图2为全循环的载荷数据对应的应力应变迟滞回线图，其中即为一个全循环；
图3为已有的实时雨流计数方法中第二类方法的一个实例流程图；
图4为本发明方法的简要流程图；
图5为本发明结壳热阻计算和雨流滤波器窗宽选择模块的程序流程图；
图6为本发明数据预处理模块的程序流程图；
图7、图8及图9均为本发明数据预处理与雨流滤波器筛选极值点的示意图，其中图7表示x 2不是极值点，图8表示x 2是极值点但x 2和x 3在雨流滤波器的窗宽内，图9表示x 2是极值点且x 1和x 3在雨流滤波器的窗宽外；
图10为本发明实时雨流计数、离散标准化以及存入存储器模块的程序流程图；
图11为本发明方法的全流程图；
图12为实施例2载荷历程波形图；
图13为实施例2经数据预处理模块筛选出来的载荷极值点分布图，即结温数据极值点分布图；
图14为实施例2的全循环载荷分布三维图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明为一种用于新能源发电功率模块热疲劳分析的实时雨流计数方法，该方法的输入为发电功率模块的热载荷数据，即结温数据，输出为发电功率模块的载荷分布，其包括以下步骤，如图4所示：
采用初始化模块设置结温采样频率、初始化缓存器（包括实时结温缓存器和结温极值点缓存器）、离散标准化结温摆幅范围的上界B u1、下界B l1和区间划分数n 1，离散标准化结温均值范围的上界B u2、下界B l2和区间划分数n 2，以及初始化储存器；
采用结壳热阻计算模块计算发电功率模块中功率器件芯片到模块外壳之间的热阻；结壳热阻计算模块的输入数据为结温、壳温、导通电压以及导通电流，输出数据为结壳热阻；其中壳温可由温度传感器测得，导通电压和导通电流可由模块自带传感器测得；
根据发电功率模块处于使用寿命的不同阶段时具有不同的结壳热阻，通过雨流滤波器窗宽选择模块选择合适的雨流滤波器窗宽；雨流滤波器窗宽选择模块的输入数据为结壳热阻，输出数据为雨流滤波器窗宽；
数据预处理：采用数据预处理模块处理，此模块包含极值点筛选器和雨流滤波器两个部分，输入数据为实时结温数据T j和雨流滤波器窗宽，输出数据为有效的结温极值点数据；实时结温数据输入时先经过极值点筛选器，筛选出实时结温数据中的极值点，再将筛选出的极值点输入雨流滤波器，滤除对发电功率模块损伤可忽略的结温极值点或者因为采样抖动导致的波动小于1℃的极值点。
不同的功率模块损伤的数量级不一样，而且还要视要求的精度而定。
其中结温数据可来自于热敏感电参数等方法，如专利CN113376497A中提出的将导通压降测量电路和栅极驱动电路集成设计，通过实时在线提取导通压降/>和负载电流I，实现在线提取IGBT的结温信息的方法。
通过实时雨流循环计数模块对有效的结温极值点进行实时的应力循环计数，得到应力循环的原始计数结果，即应力循环幅值、应力循环均值以及对应的次数；实时雨流循环计数模块的输入数据为数据预处理模块筛选出的有效结温极值点数据，输出数据为应力循环的原始计数结果；
离散标准化：通过离散标准化模块将待分析的结温摆幅范围(B u1，B l1)平均划分成标准的n 1等份，将待分析的结温均值范围(B l2，B u2)平均划分成标准的n 2等份，并将实时雨流循环计数模块得到的应力循环的原始计数结果与这些区间匹配，记录为区间的上界值，并更新与这些区间对应的标准化应力循环；输入数据为应力循环的原始计数结果，输出为标准化应力循环；
通过存入储存器模块将离散标准化模块输出的标准化应力循环存入储存器中的二维表。
上述结壳热阻计算模块和雨流滤波器窗宽选择模块的流程图如图5所示，考虑到在功率模块使用寿命的不同时期，功率模块因为承受热机械应力而造成显著损伤的最小热机械应力值是不同的，未超过此阈值的热机械应力对功率模块的损伤可以忽略。在焊料裂纹初始阶段，考虑结温摆幅超过的应力循环；在焊料裂纹扩散阶段，考虑结温摆幅超过的应力循环；在功率模块不稳定阶段，考虑温度摆幅超过/>的应力循环，其中。判断功率模块处于使用寿命的哪个时期是以结壳热阻/>为依据。当结壳热阻低于阈值/>时，对应焊料裂纹初始阶段，选择雨流滤波器的窗宽为/>，当结壳热阻超过/>，但小于/>时，对应焊料裂纹扩散阶段，选择雨流滤波器的窗宽为/>；当结壳热阻超过时，对应功率模块不稳定阶段，选择雨流滤波器的窗宽为/>。其中结壳热阻由公式(1)计算得到。式中T j(t)为芯片温度，T c(t)为模块壳温，P IGBT(t)为芯片的瞬时功率损耗。
(7)
上述数据预处理模块的流程图如图6所示，其将实时结温数据逐个输入实时结温缓存器，并针对最新的三个相邻的结温数据，将其代入公式(2)来判断位于中间的数据点/>是否为极值点，若(2)式成立，则判断/>是极值点；若(2)式不成立，则判断/>不是极值点，如图7所示，将/>向前移位至/>的位置，并读入新的实时结温数据作为/>的新值，重新执行数据预处理模块。当/>被判断为极值点后，再判断/>之间的差值与雨流滤波器窗宽/>的大小关系：若/>，如图8所示，则删除/>，读入下一个结温值作为/>的新值，重新执行数据预处理模块；若/>，如图9所示，则保留/>，将/>存入极值点缓存器PV，移除/>并将/>前移至/>的位置，读入下一个结温值作为/>的新值，该过程如公式(3)。
(8)
(9)
上述实时雨流循环计数模块、离散标准化模块以及存入存储器模块的流程图如图10所示，实时雨流循环计数模块实时处理数据预处理模块输出的有效结温极值点数据，可以在每一个新的有效结温极值点筛选出来后执行该模块的程序，实时识别有效结温极值点数据中的全循环和半循环，并在极值点数量不小于3个时循环执行该算法，直至识别出截至该时刻的所有应力循环。实时雨流循环计数模块每次执行时的作用对象仅为极值点缓存器中最新的三个点，执行内容为简单的加减和条件判断，对处理器的运算能力的要求较低。实时雨流循环计数模块的执行流程如下：
1）实时雨流循环计数模块将数据预处理模块筛选出的有效结温极值点逐点存入结温极值点缓存器PV，若无新值，则等待新值的到来。
2）检查极值点缓存器中数据的个数是否大于等于3，若否，则继续等待新值的输入；若是，则提取极值点缓存器中最新的三个值，按照写入的先后顺序分别标记为，即倒数第三个新值标记为/>，倒数第二个新值标记为/>，倒数第一个新值标记为。
3）计算中相邻两个值的变程(幅值差)：/>，/>。
4）比较与/>的大小关系。若/>，则继续等待新的有效结温极值点的输入，重新提取极值点缓存器中最新的三个值；若/>，进入下一个流程。
5）判断此时极值点缓存器PV中的数据个数是否为3，若为3，则进入半循环计数流程；若不为3，则进入全循环计数流程。
a）半循环计数流程：用标记半循环，并记录应力循环幅值为/>，应力循环均值为/>，然后在极值点缓存器PV中移除/>。
b）全循环计数流程：用标记全循环，并记录应力循环幅值为/>，应力循环均值为/>，然后在结温极值点缓存器PV中移除/>。
6）将全循环或半循环的原始计数结果输入离散标准化模块，得到标准化应力循环。
7）将标准化应力循环写入存储器中的全循环二维表或半循环二维表，此二维表为应力循环幅值、应力循环均值以及对应的次数。
8）判断设备是否停止运行：若设备停止运行，则结束实时雨流计数程序；若设备继续运行，则返回步骤2。
上述的离散标准化模块，其预先确定待分析的应力循环幅值（结温摆幅）的范围(B l1,B u1)和应力循环均值（平均结温）的范围(B l2,B u2)，并分别将范围划分成n 1、n 2份区间。将实时雨流循环计数模块输出的应力循环幅值和均值，/>与划分的区间相匹配，并更新对应区间的循环次数。以应力循环幅值（全循环）为例，若设置的应力循环幅值的范围为(B l1,B u1)，将其划分为n 1份区间，则每份区间的宽度为/>，将/>换算为标准值：/>，如果计算结果超过离散标准化的上界B u1，则取为上界值B u1。对平均结温也做如此操作，得到平均结温的标准值/>，最后在全循环二维表的(/>位置加一次应力循环次数。
上述的写入存储器模块，以二维表的方式存储标准化应力循环，该二维表以应力循环幅值和均值为横纵轴，在处存储对应的应力循环的次数。此外，为区分全循环和半循环，存储器中的二维表以cycle为标志，分为半循环二维表和全循环二维表，其中cycle=1对应为全循环二维表，cycle=0.5对应为半循环二维表。
实施例1（该实施例的载荷数据为结温数据）
表格1实施例1的载荷数据(假设每0.1秒产生一个载荷)
本发明中结壳热阻计算和滤波器窗宽选择使用计时器中断实现，每隔固定的时间执行一次，并更新滤波器的窗宽，其流程图如图5所示。假定根据结壳热阻选定的雨流滤波器的窗宽为3。
本发明提供了一种用于新能源发电功率模块热疲劳分析的实时雨流计数方法，其整体流程图如图11所示，其具体步骤如下：
1）当功率模块开始工作时，本方法也同步开始执行初始化程序：设置合适的结温采样频率；清空实时结温缓存器和极值点缓存器；假定离散标准化模块将待分析的结温摆幅范围(B l1，B u1)平均划分成标准的n 1份区间，将结温均值范围(B l2，B u2)平均划分成标准的n 2份区间；配置存储器使其处于等待写入的状态。
在此实施例中，设置结温采样频率为10Hz，即每0.1秒获取一个新的实时结温，清空实时结温缓存器和极值点缓存器，设定应力循环幅值离散标准化的上界B u1=40，下界B l1=4，分区数为n 1=9，应力循环均值的离散标准化的上界B u2=100，下界B l2=60，分区数为n 2=10；配置存储器使其处于等待写入的状态。
2）接收实时结温数据，并将实时结温数据写入实时结温缓存器的末尾。
在此实施例中，当接收到第1个数据68时，就将其写入实时结温缓存器的末尾，同时也是第一个位置。
3）统计实时结温缓存器中的数据个数，并执行以下分支：
a）若实时结温缓存器中数据个数不为3，则回到步骤2等待传入新的实时结温数据；
b）若实时结温缓存器中数据个数等于3，则执行步骤4。
在此实施例中，当只接收到第1个结温数据68时，实时结温缓存器中的数据个数为1，步骤3的判断不成立，则回到步骤2接收第2个结温数据74并写入实时结温缓存器，此时步骤3的判断依然不成立，则回到步骤2接收第三个结温数据84并写入实时结温缓存器。此时实时结温缓存器中的数据为。
4）把实时结温缓存器中的数据按写入顺序标号为，将/>带入进行局部极值点的初步筛选, 并执行以下分支：
a）若的计算结果小于等于0，则移除实时结温缓存器中的/>，并回到步骤2等待传入新的实时结温数据；
b）若的计算结果大于0，则进入步骤5。
在此实施例中，该时刻实时结温缓存器中的值为，分别对应/>。将/>代入/>得到/>，则移除68，回到步骤2读入第4个实时结温数据82，并写入实时结温缓存器的末尾。此时实时结温缓存器中的数据为/>，再次执行步骤3和步骤4。在执行步骤4时，由于，则进入步骤5。
5）查询并获取雨流滤波器的窗宽，如果更新了就说明功率模块进入了新的寿命阶段，滤波器使用新窗宽；如果没更新，则继续使用原窗宽。
在此实施例中，查询获取到的雨流滤波器的窗宽为。
6）计算的值，并执行以下分支：
a）若成立，则证明从/>至/>的结温变化幅度不在该阶段考虑范围，需在实时结温缓存器中移除/>，并返回步骤2读入新的实时结温数据；
b）若不成立，则证明从至/>的结温变化幅度在该阶段考虑范围内，需在实时结温缓存器中移除/>，并将/>存入极值点缓存器的末尾。
在此实施例中，第一次进入步骤6时，实时结温缓存器中的数据为。由于，所以移除82，回到步骤2读入第5个数据71，再次执行步骤3、4、5，第二次进入步骤6时实时结温缓存器中的数据为[74,84,71]。由于/>，说明从/>至/>的结温变化幅度在该时期的考虑范围内，需要在实时结温缓存器中移除74，将84存入极值点缓存器的末尾。
7）统计极值点缓存器PV中的数据个数，并执行以下分支：
a）若PV中数据个数小于3个，则回到步骤2，继续等待新的实时结温数据传入；
b）若PV中数据个数大于等于3个，则提取PV中最新的三个极值点数据，并按照写入顺序标记为。
在此实施例中，第一次执行到步骤7时，实时结温缓存器中的数据个数仅有1个，即84，所以需要重复执行步骤2至步骤6，直到极值点缓存器中的数据为[84,71,85]时，再次执行步骤7，此时极值点缓存器中的数据个数为3，则[84,71,85]被标记为。
8）计算中相邻两点的变程(幅值差)：/>，/>。
在此实施例中，第一次执行到步骤8时，,此时，/>。
9）比较与/>的大小关系，并执行以下分支：
a）若，则回到步骤2等待传入新的实时结温数据；
b）若，执行步骤10。
在此实施例中，第一次执行到步骤9时，，/>，由于/>，则进入步骤10。
10）判断极值点缓存器PV中的数据个数，并执行以下分支：
a）若数据个数为3，则计数半循环，用标记半循环，并记录结温摆幅为，结温均值为/>。然后在结温极值点缓存器PV中移除数据点/>。
b）若数据个数不为3，则计数全循环，用标记全循环，并记录结温摆幅为，结温均值为/>，然后在结温极值点缓存器PV中移除/>。
在此实施例中，第一次执行到步骤10时，极值点缓存器PV中的数据为[84,71,85]，数据个数为3个，则计数半循环，记录应力循环幅值，应力循环均值，并用标志位cycle=0.5标记该循环为半循环，同时从极值点缓存器PV中移除84。
11）将全循环和半循环的计数结果进行离散标准化。待分析的应力循环幅值（结温摆幅）的范围(B l1,B u1)和应力循环均值（平均结温）的范围(B l2,B u2)，并分别将范围分别划分成n 1、n 2份区间。将实时雨流循环计数模块输出的温度摆幅,/>与划分的区间相匹配，并更新对应区间的循环次数。
在此实施例中，第一次执行到步骤11时，提取出来的是，/>的半循环。对于应力循环幅值，设置的离散标准化的上界B u1=40，下界B l1=4，分区数为n 1=9，则每份分区的宽度为/>，将应力循环幅值换算为标准值：。对于应力循环均值，设置的应力循环均值离散标准化的上界B u2=100，下界B l2=60，分区数为n 1=10，则每份分区的宽度为/>，将应力循环均值换算为标准值：/>。所以得到的标准化应力循环为/>，对应的标记为cycle=0.5，意为半循环。
12）若cycle=0.5，将标准化应力循环写入存储器中的半循环二维表；若cycle=1，将标准化应力循环写入存储器中的半循环二维表。
在此实施例中，第一次执行到步骤12时，输入的标准化应力循环为半循环：cycle=0.5，，所以将半循环二维表的/>位置处的次数值加1。
13）检测新能源发电设备（即新能源发电功率模块）的运行状态，并做以下判断：
a）若新能源发电设备已经停止运行，则结束本程序。
b）若新能源发电设备还在运行，则回到步骤7。
在此实施例中，第一次执行到步骤13时，假定新能源发电设备还在运行，则回到步骤7检查极值点缓存器中数据的个数，此时PV=[71,85]，不满足的要求，所以回到步骤2等待新的实时结温数据输入后执行步骤2至步骤13，直至新能源发电设备结束运行。表格2展示了表格1的实施例在每个结温采样点的执行结果。
表格2 实施例1在每个结温采样点的执行结果
下面结合实施例2具体说明，该实施例的载荷数据为结温数据。实施例2的波形图如图12所示。在本实施例中，假设雨流滤波器选定的窗宽为，设定应力循环幅值离散标准化的上界B u1=80，下界B l1=5，分区数为n 1=15，应力循环均值的离散标准化的上界B u2=110，下界B l2=70，分区数为n 2=10。图13为/>时经过数据预处理得到的有效结温极值点分布图。图14为实施例2的标准化应力循环二维表(全循环)的三维表示图。
表格3实施例2的原始计数结果
表格4实施例2的标准化应力循环二维表(全循环)
表格5 实施例2的标准化应力循环二维表(半循环)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，包括：
采用初始化模块设置如下参数：结温采样频率，离散标准化结温摆幅范围的上界B u1、下界B l1和第一区间划分数n 1，离散标准化结温均值范围的上界B u2、下界B l2和第二区间划分数n 2，以及初始化储存器和缓存器；
采用结壳热阻计算模块计算发电功率模块中功率器件芯片到模块外壳之间的结壳热阻，结壳热阻计算模块的输入数据为结温、壳温、导通电压以及导通电流；
根据发电功率模块处于使用寿命的不同阶段时具有不同的结壳热阻，通过雨流滤波器窗宽选择模块选择合适的雨流滤波器窗宽；
数据预处理：采用数据预处理模块处理，此模块包含极值点筛选器和雨流滤波器，输入数据为实时结温数据T j和雨流滤波器窗宽，输出数据为有效的结温极值点数据；实时结温数据输入时先经过极值点筛选器，筛选出实时结温数据中的极值点，再将筛选出的极值点输入雨流滤波器，滤除对发电功率模块损伤可忽略的结温极值点或者因为采样抖动导致的波动小于1℃的结温极值点；
通过实时雨流循环计数模块对有效的结温极值点进行实时的应力循环计数，得到应力循环的原始计数结果，即应力循环幅值、应力循环均值以及对应的次数；
离散标准化：通过离散标准化模块将待分析的结温摆幅范围(B u1，B l1)平均划分成标准的n 1等份，将待分析的结温均值范围(B l2，B u2)平均划分成标准的n 2等份，并将实时雨流循环计数模块得到的应力循环的原始计数结果与这些区间匹配，记录为区间的上界值，并更新与这些区间对应的标准化应力循环；
通过存入储存器模块将离散标准化模块输出的标准化应力循环存入储存器中的二维表。
2.根据权利要求1所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，所述的实时雨流循环计数模块中，在有效结温极值点个数不小于3个时，对其最新的三个值求相邻之间的幅值差，结合有效结温极值点的个数进行全循环和半循环的判断。
3.根据权利要求1所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，所述的雨流滤波器窗宽选择模块中，所述的雨流滤波器窗宽为雨流滤波器第一窗宽、雨流滤波器第二窗宽/>或雨流滤波器第三窗宽/>，在发电功率模块裂纹生长的初始阶段，考虑结温摆幅超过雨流滤波器第一窗宽/>的应力循环；在裂纹扩散阶段，考虑结温摆幅超过雨流滤波器第二窗宽/>的应力循环；在发电功率模块不稳定阶段，考虑温度摆幅超过雨流滤波器第三窗宽/>的应力循环，其中/>；ω 1取值范围为（10~15℃］；ω 2取值范围为[6~10℃］；ω 3取值范围为3~5℃；
判断发电功率模块处于使用寿命的哪个阶段是以结壳热阻Zth(j-c)为依据，当结壳热阻低于阈值Z1时，对应发电功率模块裂纹生长的初始阶段，选择雨流滤波器第一窗宽，当结壳热阻超过Z1，但小于Z2时，对应发电功率模块的裂纹扩散阶段，选择雨流滤波器第二窗宽；当结壳热阻超过Z2时，对应发电功率模块不稳定阶段，选择雨流滤波器第三窗宽/>；设发电功率模块的初始结壳热阻为Z0，则Z1=1.05Z0，Z2=1.15Z0。
4.根据权利要求3所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，所述的结壳热阻计算模块中，结壳热阻由公式(1)计算得到，式中T j(t)为功率器件芯片温度，T c(t)为模块壳温，P IGBT(t)为功率器件芯片的瞬时功率损耗：
(1)。
5.根据权利要求1所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，所述的数据预处理模块中，
将实时结温数据逐个输入实时结温缓存器，并针对最新的三个相邻的结温数据，将其代入公式(2)来判断位于中间的数据点/>是否为极值点，若(2)式成立，则判断/>是极值点；若(2)式不成立，则判断/>不是极值点，将/>向前移位至/>的位置，并读入新的实时结温数据作为/>的新值，重新执行极值点判断；
当被判断为极值点后，再判断/>之间的差值与雨流滤波器窗宽/>的大小关系：若，则删除/>，读入下一个实时结温数据作为/>的新值，重新执行大小判断；若，则保留/>，将/>存入结温极值点缓存器PV，移除/>并将/>前移至/>的位置，读入下一个实时结温数据作为/>的新值，该过程如公式(3)；
(2)
(3)。
6.根据权利要求1所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，
实时雨流循环计数模块实时处理数据预处理模块输出的有效的结温极值点数据，在每一个新的有效结温极值点筛选出来后执行实时雨流循环计数模块，实时识别有效结温极值点数据中的全循环和半循环，并在结温极值点数量不小于3个时循环执行，直至识别出结温极值点缓存器PV中的所有结温应力循环；
实时雨流循环计数模块每次执行时的作用对象仅为结温极值点缓存器中最新的三个点，执行内容为简单的加减和条件判断。
7.根据权利要求6所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，所述实时雨流循环计数模块的执行步骤如下：
1）将数据预处理模块筛选出的有效结温极值点逐点存入结温极值点缓存器PV，若无新值，则等待新值的到来；
2）检查结温极值点缓存器中数据的个数是否大于等于3，若否，则继续等待新值的输入；若是，则提取结温极值点缓存器中最新的三个值，按照写入的先后顺序分别标记为，即倒数第三个新值标记为/>，倒数第二个新值标记为/>，倒数第一个新值标记为；
3）计算中相邻两个值的幅值差：/>，/>；
4）比较与/>的大小关系；若/>，则继续等待新的有效结温极值点的输入，重新提取结温极值点缓存器中最新的三个值；若/>，进入下一个流程；
5）判断此时结温极值点缓存器PV中的数据个数是否为3，若为3，则进入半循环计数流程；若不为3，则进入全循环计数流程；
6）将全循环或半循环的原始计数结果输入离散标准化模块，得到标准化应力循环；
7）将标准化应力循环写入存储器中的全循环二维表或半循环二维表，此二维表为应力循环幅值、应力循环均值以及对应的次数；
8）判断新能源发电功率模块是否停止运行：若新能源发电功率模块停止运行，则结束实时雨流循环计数模块的执行；若新能源发电功率模块继续运行，则返回数据预处理模块等待新的结温采样值的输入。
8.根据权利要求7所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，步骤5）中，半循环计数流程如下：
用标记半循环，并记录应力循环幅值为/>，应力循环均值为，然后在结温极值点缓存器PV中移除/>。
9.根据权利要求7所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，步骤5）中，全循环计数流程如下：
用标记全循环，并记录应力循环幅值为/>，应力循环均值为，然后在结温极值点缓存器PV中移除/>。
10.根据权利要求1所述的新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法，其特征在于，所述的离散标准化模块，预先确定待分析的应力循环幅值的范围(B l1,B u1)和应力循环均值的范围(B l2,B u2)，并分别将范围划分成n 1、n 2份区间；将实时雨流循环计数模块输出的应力循环幅值和均值/>与划分的区间相匹配，并更新对应区间的循环次数；以应力循环幅值为例，若设置的应力循环幅值的范围为(B l1,B u1)，将其划分为n 1份区间，则每份区间的宽度为/>，将/>换算为标准值：，如果计算结果超过离散标准化的上界B u1，则取为上界值B u1；对应力循环均值也做如此操作，得到应力循环均值的标准值/>，最后在全循环二维表的(/>位置加一次应力循环次数。
CN202311079118.3A 2023-08-25 2023-08-25 新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法 Pending CN117034648A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311079118.3A CN117034648A (zh) 2023-08-25 2023-08-25 新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311079118.3A CN117034648A (zh) 2023-08-25 2023-08-25 新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117034648A true CN117034648A (zh) 2023-11-10

Family

ID=88622665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311079118.3A Pending CN117034648A (zh) 2023-08-25 2023-08-25 新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117034648A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117436006A (zh) * 2023-12-22 2024-01-23 圣道天德电气(山东)有限公司 一种智慧环网柜故障实时监测方法及系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117436006A (zh) * 2023-12-22 2024-01-23 圣道天德电气(山东)有限公司 一种智慧环网柜故障实时监测方法及系统
CN117436006B (zh) * 2023-12-22 2024-03-15 圣道天德电气(山东)有限公司 一种智慧环网柜故障实时监测方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN117034648A (zh) 新能源发电功率模块热疲劳分析实时雨流计数方法
CN108595301B (zh) 一种基于机器学习的服务器能耗预测方法和系统
RU2016127609A (ru) Способ и устройство для выделения сигналов в данных
JP2015505086A5 (zh)
EP2128768A1 (en) Detecting device, system, program, and detecting method
CN101799321A (zh) 智能振动监测系统
CN105677593A (zh) 芯片存储器写操作时序路径自适应调节方法及装置
CN106126384A (zh) 一种采集性能监视单元pmu事件的方法及装置
JP2017010111A (ja) ノイズデータ除去支援装置、方法、および、プログラム
CN114187505A (zh) 输电线路防振锤脱落的检测方法、装置、介质及终端设备
CN103744286A (zh) 一种火力发电系统的控制器的设计方法和装置
CN109634240B (zh) 一种基于新型动态主元分析的动态过程监测方法
CN111191908B (zh) 一种负荷事件检测方法、系统及存储介质
CN109211685A (zh) 一种塑性材料高温应变数据的处理方法
CN105701041A (zh) 芯片自适应调节读数时序路径的方法和装置
CN114285091B (zh) 一种包含多个光伏发电的区域电网数据采集异常检测方法
CN109443557A (zh) 一种单光子脉冲到达时间探测装置
CN113311364B (zh) 基于多核svm的永磁同步电机逆变器开路故障诊断方法
CN102682174B (zh) 一种基于传感数据的柔性有限元自动分析方法
CN103778263A (zh) 地铁车辆数据采集处理的装置和方法
CN107192742A (zh) 一种金属氧化物气体传感器温度漂移补偿装置及方法
CN101625704B (zh) 模拟信号数据压缩处理器
CN116067433B (zh) 一种振弦数据采集方法及其采集仪
JPS6128090B2 (zh)
Deng et al. Reliability assessment of machining accuracy on support vector machine

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