一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质技术方案

本发明专利技术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R

【技术实现步骤摘要】
一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质


[0001]本专利技术涉及IGBT模块监测
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。中国专利技术专利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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法，包括以下步骤：
[0007]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；
[0008]S2、基于电参数，计算待测IGBT模块的功率损耗；
[0009]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R
c
；
[0010]S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻R
c(ref)
，得到动态焊料空洞等效热阻ΔR
c
；以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻R
c
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。
[0011]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V
ceo
、正向导通电阻r
ce
、集电极电流I
c
、占空比D和开关频率f
sw
，续流二极管电参数包括：正向导通压降V
fo
和正向导通电阻r
f
；所述温度参数包括：环境温度T
a
、IGBT壳温和续流二极管壳温。
[0012]更进一步的，IGBT模块的功率损耗包括IGBT功率损耗P
I
和续流二极管功率损耗P
D
，计算公式为：
[0013]P
I
＝[V
ceo
+r
ce
·
I
c
]·
I
c
·
D+[E
on
+E
off
]·
f
sw
[0014]P
D
＝[V
fo
+r
f
·
I
c
]·
I
c
·
(1
‑
D)+E
rr
(I
c
)
·
f
sw
[0015]其中，E
on
和E
off
分别表示IGTB的开通能量损耗和关断能量损耗，E
rr
表示续流二极管能量损耗，计算公式为：
[0016][0017][0018][0019]其中，i
c
(t)表示实时电流。
[0020]更进一步的，步骤S3中，计算待测IGBT模块的动态可识别热阻R
c(ref)
包括以下步骤：
[0021]A1、建立热网模型，T
c
‑
T
a
＝P
loss
·
Z，其中，T
c
表示壳温，P
loss
表示功率损耗， Z表示等效热阻；
[0022]A2、动态可识别热阻R
c
包括散热器等效热阻R
ch
和导热油脂等效热阻R
ha
，对热网模型进行拉普拉斯变换：
[0023][0024][0025]其中，T
c(I)
(s)和T
c(D)
(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温，T
a
(s)表示环境温度，P
I
(s)和P
D
(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，R
ch(I)
和R
ch(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，R
ha(I)
和R
ha(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，C
ch(I)
、C
ha(I)
、C
ch(D)
和C
ha(D)
是事先获取的IGBT和续流二极管的等效热容值；
[0026]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：
[0027][0028]A4、对T
c(I)
、T
c(D)
、T
a
、P
I
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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R
c
；S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻R
c(ref)
，得到动态焊料空洞等效热阻ΔR
c
；以待测IGBT模块的功率损耗和动态可识别热阻R
c
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V
ceo
、正向导通电阻r
ce
、集电极电流I
c
、占空比D和开关频率f
sw
，续流二极管电参数包括：正向导通压降V
fo
和正向导通电阻r
f
；所述温度参数包括：环境温度T
a
、IGBT壳温和续流二极管壳温。3.根据权利要求2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，IGBT模块的功率损耗包括IGBT功率损耗P
I
和续流二极管功率损耗P
D
，计算公式为：P
I
＝[V
ceo
+r
ce
·
I
c
]
·
I
c
·
D+[E
on
+E
off
]
·
f
sw
P
D
＝[V
fo
+r
f
·
I
c
]
·
I
c
·
(1
‑
D)+E
rr
(I
c
)
·
f
sw
其中，E
on
和E
off
分别表示IGTB的开通能量损耗和关断能量损耗，E
rr
表示续流二极管能量损耗，计算公式为：损耗，计算公式为：损耗，计算公式为：其中，i
c
(t)表示实时电流。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R
c(ref)
包括以下步骤：A1、建立热网模型，T
c
‑
T
a
＝P
loss
·
Z，其中，T
c
表示壳温，P
loss
表示功率损耗，Z表示等效热阻；A2、动态可识别热阻R
c
包括散热器等效热阻R
ch
和导热油脂等效热阻R
ha
，对热网模型进行拉普拉斯变换：
其中，T
c(I)
(s)和T
c(D)
(s)分别表示IGBT壳温和续流二极管壳温，T
a
(s)表示环境温度，P
I
(s)和P
D
(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，R
ch(I)
和R
ch(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，R
ha(I)
和R
ha(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，C
ch(I)
、C
ha(I)
、C
ch(D)
和C
ha(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T
c(I)
、T
c(D)
、T
a
、P
I
和P
D
进行离散化处理：进行离散化处理：其中，k表示采样时间；取多组T
c(I)
、T
c(D)
、T
a
、P
I
和P
D
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R
c
，如下：，如下：待测IGBT模块的动态可识别热阻R
c
包括R
c(I)
和R
c(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R
c(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R
c(ref)
：T
c(I)(ref)
‑
T
a(ref)
＝P
I(ref)
·
R
c(I)(ref)
T
c(D)(ref)
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔昊杨，郭天柱，彭道刚，伍娟，陈磊，江超，胡安铎，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：