饱和压降测量系统及方法、寿命评估方法及系统技术方案

本申请提供了一种饱和压降测量系统及方法、寿命评估方法及系统，其中，所述饱和压降测量系统包括：切断单元，用于当被测绝缘栅双极晶体管IGBT达到热平衡状态时，切断被测IGBT的运行回路；所述运行回路指被测IGBT在其所处设备中的运行回路；维持测量单元，用于使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，并测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降；所述冷却过程指被测IGBT的结温的下降过程。测IGBT的结温的下降过程。测IGBT的结温的下降过程。

【技术实现步骤摘要】
饱和压降测量系统及方法、寿命评估方法及系统


[0001]本申请涉及电子器件领域，尤其涉及一种饱和压降测量系统及方法、寿命评估方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着环境污染、能源危机等问题的日益突出，发展新能源降以低对传统能源的依赖已成必然趋势。我国长期倡导能源可持续发展，政策性扶持风电、光伏、生物质能发电、电动汽车等行业。作为新能源设备与电网连接的纽带——大功率变流器装置是新能源设备最关键的部件，也是最容易失效的部件之一。在诸如航空航天、电动汽车、海上风机、换流站等高可靠性要求的场景，大功率变流器失效引起的系统故障会带来难以估量的损失。
[0003]作为大功率变流器的关键元件，绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)的高可靠性是系统稳定运行的重要保证，对IGBT进行准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而目前对IGBT的寿命评估多忽略了焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应，易高估IGBT的寿命。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种饱和压降测量系统及方法、寿命评估方法及系统，能够在线测量IGBT的瞬态热阻曲线，并在寿命评估网络中引入了因焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应，进而更准确的评估 IGBT的寿命。
[0005]本申请实施例提供了一种饱和压降测量系统，包括：
[0006]切断单元，用于当被测IGBT达到热平衡状态时，切断被测IGBT的运行回路；所述运行回路指被测IGBT在其所处设备中的运行回路；
[0007]维持测量单元，用于使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，并测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降；所述冷却过程指被测IGBT的结温的下降过程。
[0008]本申请实施例还提供了一种饱和压降测量方法，包括：
[0009]当被测IGBT达到热平衡状态时，切断被测IGBT的运行回路；所述运行回路指被测IGBT在其所处设备中的运行回路；
[0010]使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，并测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降；所述冷却过程指被测IGBT的结温的下降过程。
[0011]本申请实施例还提供了一种寿命评估方法，包括：
[0012]标准IGBT训练过程和被测IGBT评估过程，其中：
[0013]所述标准IGBT训练过程，包括：
[0014]基于标准IGBT由健康到失效的不同老化状态，构建标准IGBT在各不同老化状态下的考尔Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的Cauer热网络的参数，所述标准IGBT指与被测IGBT参数相同的IGBT；
[0015]基于标准IGBT各不同老化状态下的Cauer热网络的参数，将标准IGBT 由健康到失效的过程离散为多个老化阶段；
[0016]所述被测IGBT评估过程，包括：
[0017]基于被测IGBT的结温曲线及标准IGBT由健康到失效过程的多个老化阶段，得到被测IGBT当前所处的老化阶段；
[0018]基于被测IGBT当前所处的老化阶段，得到被测IGBT当前所处的老化阶段的疲劳累积，并选择被测IGBT下一老化阶段的结温曲线；
[0019]循环前述所述被测IGBT评估过程，直至被测IGBT失效，得到被测IGBT 的寿命评估结果。
[0020]本申请实施例还提供了一种寿命评估系统，包括：
[0021]标准IGBT训练单元，用于基于标准IGBT由健康到失效的不同老化状态，构建标准IGBT在各不同老化状态下的Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的Cauer热网络的参数；还用于，
[0022]基于标准IGBT各不同老化状态下的Cauer热网络的参数，将标准IGBT 由健康到失效的过程离散为多个老化阶段；
[0023]被测IGBT评估单元，用于基于被测IGBT的结温曲线，得到被测IGBT当前所处的老化阶段；还用于，
[0024]基于被测IGBT当前所处的老化阶段，得到被测IGBT当前所处的老化阶段的疲劳累积，并选择被测IGBT下一老化阶段的结温曲线；还用于，
[0025]循环前述过程，直至被测IGBT失效，得到被测IGBT的寿命评估结果。
[0026]本申请实施例提供了一种饱和压降测量系统及方法、寿命评估方法及系统。其中，所述的饱和压降测量系统包括：切断单元，用于当回路中的被测IGBT 达到热平衡状态时，切断被测IGBT的运行回路；所述运行回路指被测IGBT 在其所处设备中的运行回路；维持测量单元，用于使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，并测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降；所述冷却过程指被测IGBT的结温的下降过程。
[0027]本申请实施例中，通过切断单元，能够切断达到热平衡状态的被测IGBT 的运行回路，然后利用维持测量单元，使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，进而使被测IGBT冷却，测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降。如此，能够实现被测IGBT的在线测量，进而获取被测IGBT当前的瞬态热阻曲线，实现被测IGBT的寿命评估。
附图说明
[0028]图1为本申请实施例提供的饱和压降测量系统的结构示意图；
[0029]图2为本申请应用实施例提供的饱和压降测量系统的结构示意图；
[0030]图3a为本申请应用实施例提供的饱和压降测量系统应用于变流器拓扑的结构示意图；
[0031]图3b为图3a中被测IGBT处于大电流导通状态时的电流路径的示意图；
[0032]图3c为图3a中被测IGBT处于小电流导通状态时的电流路径的示意图；
[0033]图4为本申请实施例提供的饱和压降测量方法的流程示意图；
[0034]图5为本申请实施例提供的瞬态热阻在线监测仿真模型的结构示意图；
[0035]图6为本申请实施例提供的S1的结温曲线的示意图；
[0036]图7为本申请实施例提供的IGBT封装系统的结构示意图；
[0037]图8为本申请实施例提供的SKM50GB12T4型IGBT的三维有限元模型的结构示意图；
[0038]图9为本申请实施例提供的对比IGBT的各焊料层老化程度分别为5％和 16％时，对IGBT的结温波动影响的差异的示意图；
[0039]图10为本申请实施例提供的寿命评估方法的流程示意图；
[0040]图11为本申请实施例提供的芯片焊料层处于不同老化状态时IGBT对应的瞬态热阻曲线的示意图；
[0041]图12为本申请实施例提供的DBC焊料层处于不同老化状态时IGBT对应的瞬态热阻曲线的示意图；
[0042]图13为本申请实施例提供的构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶 Cauer热网络的方法的流程示意图；
[0043]图14为本申请实施例提供的考虑老化焊料层的位置信息的三阶Cauer热网络更新策略的示意图；
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种饱和压降测量系统，其特征在于，包括：切断单元，用于当被测绝缘栅双极晶体管IGBT达到热平衡状态时，切断被测IGBT的运行回路；所述运行回路指被测IGBT在其所处设备中的运行回路；维持测量单元，用于使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，并测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降；所述冷却过程指被测IGBT的结温的下降过程。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：替代单元，用于利用替代IGBT替代被测IGBT构成相同的所述运行回路。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述切断单元，包括：切断开关，用于控制被测IGBT的运行回路的通断；驱动模块，用于通过驱动信号控制所述切断开关动作，并同时控制所述维持测量单元动作。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述切断开关采用第一IGBT，相应的，所述第一IGBT的门极与所述驱动模块的驱动信号输出端连接；所述第一IGBT用于控制被测IGBT的运行回路的通断。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述替代单元采用替代IGBT，所述替代IGBT与被测IGBT的电气参数相同。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的系统，其特征在于，所述维持测量单元，包括：电流源模块，用于使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态；采集模块，用于采集处于小电流导通状态下的被测IGBT的饱和压降；处理模块，用于根据所述饱和压降生成饱和压降曲线。7.一种饱和压降测量方法，其特征在于，包括：当被测IGBT达到热平衡状态时，切断被测IGBT的运行回路；所述运行回路指被测IGBT在其所处设备中的运行回路；使切断后的被测IGBT维持小电流导通状态，并测量被测IGBT冷却过程中的饱和压降；所述冷却过程指被测IGBT的结温的下降过程。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：利用替代IGBT替代被测IGBT构成相同的所述运行回路。9.一种寿命评估方法，其特征在于，包括标准IGBT训练过程和被测IGBT评估过程，其中：所述标准IGBT训练过程，包括：基于标准IGBT由健康到失效的不同老化状态，构建标准IGBT在各不同老化状态下的考尔Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的Cauer热网络的参数；基于标准IGBT各不同老化状态下的Cauer热网络的参数，将标准IGBT由健康到失效的过程离散为多个老化阶段；所述被测IGBT评估过程，包括：基于被测IGBT的结温曲线及标准IGBT由健康到失效过程的多个老化阶段，得到被测IGBT当前所处的老化阶段；基于被测IGBT当前所处的老化阶段，得到被测IGBT当前所处的老化阶段的疲劳累积，并选择被测IGBT下一老化阶段的结温曲线；
循环前述所述被测IGBT评估过程，直至被测IGBT失效，得到被测IGBT的寿命评估结果。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于标准IGBT由健康到失效的不同老化状态，构建标准IGBT在各不同老化状态下的Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的Cauer热网络的参数，包括：基于标准IGBT由健康到失效的不同老化状态，构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的三阶Cauer热网络的参数。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于标准IGBT由健康到失效的不同老化状态，构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的三阶Cauer热网络的参数，包括：对标准IGBT进行功率循环，采集每次功率循环时标准IGBT的瞬态热阻曲线；利用每次功率循环时标准IGBT的瞬态热阻曲线，构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的三阶Cauer热网络的参数。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述利用每次功率循环时标准IGBT的瞬态热阻曲线，构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的三阶Cauer热网络的参数，包括：测量标准IGBT每次功率循环时冷却过程中的饱和压降，得到标准IGBT每次功率循环时冷却过程中的饱和压降曲线；基于标准IGBT每次功率循环时冷却过程中的饱和压降曲线，利用结温与饱和压降的拟合关系，得到标准IGBT每次功率循环时的结温曲线；基于标准IGBT每次功率循环时的结温曲线，得到标准IGBT每次功率循环时的瞬态热阻曲线；利用标准IGBT每次功率循环时的瞬态热阻曲线，构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的三阶Cauer热网络的参数。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述测量标准IGBT每次功率循环时冷却过程中的饱和压降的方法采用权利要求7或8所述的饱和压降测量方法。14.根据权利要求10
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13中任一项所述的方法，其特征在于，所述利用每次功率循环时标准IGBT的瞬态热阻曲线，构建标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，并辨识各不同老化状态下对应的三阶Cauer热网络的参数，包括：基于每次功率循环时标准IGBT的瞬态热阻曲线，对瞬态热阻曲线的时间轴对数化处理并求微分，获取每次功率循环时标准IGBT的热时间常数谱；基于每次功率循环时标准IGBT的热时间常数谱，构建标准IGBT在各不同老化状态下的福斯特Foster热网络；基于标准IGBT在各不同老化状态下的Foster热网络，通过Foster
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Cauer网络变换，得到标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络；辨识标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络的参数。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述辨识标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络的参数，包括：基于标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络，通过基于零输入响应的Cauer热网络参数辨识方法，辨识标准IGBT在各不同老化状态下的三阶Cauer热网络的参数。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于标准IGBT各不同老化状态下的三阶Cauer热网络的参数，将标准IGBT由健康到失效的过程离散为多个老化阶段，包括：基于标准IGBT健康状态下的三阶Cauer热网络的参数，得到标准IGBT健康状态下的三阶Cauer热网络的第一阶热阻值；基于三阶Cauer热网络的更新系数，将标准IGBT由健康到失效的过程离散为多个老化阶段，所述更新系数指两相邻老化阶段中，下一老化阶段的三阶Cauer热网络的第一阶热阻值比前一老化阶段的三阶Cauer热网络的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一高，邓华，陈薪任，吴光勤，黄进，张文宇，
申请(专利权)人：中国移动通信集团有限公司，
类型：发明
国别省市：