用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究

随着IGBT模块功率等级及密度的提高,因功率损耗而导致芯片温升加剧进而导致变流系统崩溃的问题愈发突出。对功率器件及散热系统的深入研究有助于功率器件封装设计、器件选型、系统布局以及逆变器的可靠运行。本文通过有限元分析方法对IGBT模块和散热系统的瞬态热阻抗进行了提取,所得结果与厂商数据手册吻合,而且通过所用方法验证了热阻抗曲线的普适性,最后利用热特性RC等效网络建立热-电耦合模型,可对芯片动态结温进行预测。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

双馈风电变流器IGBT模块的损耗与结温准确计算模型及规律研究

为了解决交变热应力大范围波动会导致IGBT模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器IGBT模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了IGBT模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并且分析了其在不同工况下的变化特性。结果表明,风速对机侧以及网侧变流器IGBT模块的功损耗以及结温变化特性影响较大,最终得到基于开关周期理论所建模型更加适用于分析IGBT模块结温以及损耗的精确模拟。双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随风速的增大而增大。     

一种考虑热扩散和热耦合的IGBT模块热阻抗模型

针对传统热等效电路模型对IGBT模块结温计算误差较大的问题,提出一种基于传热研究的IGBT模块等效热阻抗模型。通过对IGBT模块内部传热研究,以热流密度变化规律确定热扩散角,由此计算出热网络参数并建立改进的单芯片Cauer网络等效电路模型。然后在此基础上,考虑多芯片之间的热耦合效应,计算出自热热阻和耦合热阻并建立IGBT模块热阻抗矩阵,利用线性叠加原理可对各芯片的结温进行预测计算。最后,将等效热阻抗模型计算出的结温与有限元仿真值进行比较,验证了该模型的有效性与准确性。     

IGBT功率模块热网络模型建立及其参数辨识方法综述和展望

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其可靠性受到广泛重视。而结温过高或者温度波动过高是导致功率器件失效的主要因素,故实时精确地监测IGBT模块结温对于提高其可靠性具有重要意义。通过建立热网络模型,然后对其电路进行仿真可获取结温,该方法因简单易行且可实现对结温的在线监测从而得到广泛应用。对现有的热网络模型进行了总结和归纳,并根据模型结构将其分为一维、二维和三维三类。然后,对近年来热网络模型的参数辨识方法的研究情况进行探讨,并对各个方法进行了比较和评价。在此基础上,对未来新的热网络模型和模型参数辨识方法的研究方向进行了展望。     

基于热阻抗模型的三相逆变器功率器件结温监测方法

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块结温的精确计算是开展功率器件主动热管理、寿命预测的前提和关键.IGBT模块的导通压降和开关损耗均受温度影响,在计算损耗时应根据温度对结果进行修正.基于空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse wi...     

高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算

为设计可靠性高的高功率密度电机控制器,计算绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的损耗和结温至关重要。以某电动汽车用高功率密度电机控制器为研究对象,分析了利用数据手册计算IGBT模块损耗和结温的方法,利用FLUENT软件计算出实际冷却水温度下的热阻值,解决了数据手册中热性能数据不完善的问题。基于Matlab软件的M语言开发了损耗及结温计算程序,可以计算出不同工况下的损耗和结温等重要参数,为电机控制器的热设计提供指导。     

一种新型的基于Vce-on的IGBT模块结温实时估测法*

文中提出了一种新型的利用通态V_(ce-on)实时估测结温的方法。首先分析了被测IGBT模块通态V_(ce-on)与温度的相关性,然后通过软件提取了模块的互连材料参数,该方法大大降低了实验成本,操作也更加简便。最为重要的是,充分考虑了内部材料电阻对IGBT模块结温的影响,并对其进行了补偿。最后,通过比较红外摄像仪测量结果和实时估测结温验证了该方法的有效性。     

计及电热耦合的潮流数学模型与算法

电热协调（ETC）理论的提出对实时环境下输电元件载荷能力的有效利用具有重要意义,但由于电与热之间的紧密耦合,使电力系统的潮流计算变得复杂,文中针对该问题进行了深入研究。将输电线路热动态微分方程引入到现有的电力系统潮流模型之中,利用隐式梯形的差分方法将该微分方程代数化,使输电线路温度成为电力系统运行的一个新的状态量,从而提出了计及电热耦合的潮流计算数学模型,并在推导得到牛顿法求解该模型的修正方程基础上,进一步提出了适应电热耦合处理的简化计算方法,该模型和算法实现了电气量和其温度的统一处理,不仅反映潮流的电的信息,而且能够提供输电线路热惯性的动态过程,即温度变化信息,从而实现输电线路载荷能力由温度评判的目的。最后通过算例分析验证了该模型和算法的有效性,为进一步开展电力系统运行调度中的电热协调理论研究奠定了基础。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型

从IGBT模块的内部结构和故障机理分析,得到影响IGBT模块可靠性的主要因素是温度的结论,而IGBT模块各层的温度是很难用实验的方法测取的。为了解决这一问题,在分析IGBT模块内部导热机理的基础上,利用瞬时非稳态导热的集总参数法建立热网络模型,并给出热损耗值、等效热阻、等效热容的提取方法。通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据、实测的底板温度和有限元模型相比较,热网络模型温度预测误差小于5%。     

IGBT结温获取方法及其讨论*

IGBT模块的寿命预测研究与可靠性分析等都与结温有密切的关系,因此研究结温的获取方法是研究IGBT模块可靠性的基础。文中将IGBT模块的结温获取方法分为了两大类,分别为结温模拟法与结温探测法,结温模拟法主要是对IGBT进行建模进而计算其结温,结温探测法是对IGBT模块的结温进行实时测量。文中分别对两大类结温获取方法进行了分析,根据各种方法的特点分别将其归类并进行阐述,并对比分析了各方法的优缺点,给出了适用范围。最后指出了结温探测的发展趋势以及需要解决的关键问题,以促进该领域的进一步发展。     

基于传热动力学作用特征的IGBT结温预测数学模型

提出一种基于传热动力学作用特征建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温预测模型的建模方法。针对目前IGBT结温预测模型无法灵活应用于多时间尺度仿真与快速计算模式的问题,通过将简单(阶跃)信号下得到的动力学作用分量应用于复杂(PWM)信号下,建立IGBT结温预测数学模型。基于经典Cauer传热RC网络结构,建立针对阶跃功率输入信号的IGBT结温预测数学模型。提出采用自然解耦的方法,对IGBT传热动力学特性进行研究,建立传热动力学作用分量的准确表征。在此基础上,采用自然解耦与精确补偿的方法,建立针对PWM脉冲功率输入信号的IGBT瞬态结温预测数学模型。仿真与实验结果验证了模型的正确性与准确性。所建IGBT结温预测数学模型对于查明IGBT器件的传热动力学作用机理,实现结温的快速有效仿真与计算,建立IGBT传热多时间尺度数学模型具有重要的理论意义和应用价值。     

IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

为了准确快速地估计结温,研究了IGBT模块的温度特性及基于温度敏感电参数TSEP(temperature sensitive electrical parameters)的结温估计方法。首先在不同壳温的条件下,测量IGBT开关过程中的门极-射极电压Vge、集电极-射极电压Vce和集电极电流Ic,并以上述参数作为TSEP;然后分析了TSEP随温度变化的机理,研究了TSEP典型特征与温度的关系,并将其量化;最后提出一种准确的IGBT结温估计方法。实验测试结果表明,基于TSEP的典型特征的结温估计方法切实可行。