国产精品不卡在线,精品国产_亚洲人成在线高清,色亚洲一区,91激情网

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作為能量轉(zhuǎn)換和電能控制的核心功率器件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，預(yù)計2022年全球IGBT模塊的市場規(guī)模將高達(dá)47.75億美元，其可靠性受到業(yè)界廣泛關(guān)注。這與其所處的服役環(huán)境有著密切關(guān)系，例如，在電動汽車的應(yīng)用中其引擎蓋下的溫度可能超過150℃；新能源發(fā)電系統(tǒng)中功率器件上的結(jié)溫波動高達(dá)80℃。

有學(xué)者指出，電力電子器件的可靠性主要受最高溫度和溫度循環(huán)的影響，55%的電驅(qū)動故障由功率器件的熱循環(huán)或溫度升高導(dǎo)致。其根本原因是具有不同熱膨脹系數(shù)的材料在溫度梯度下產(chǎn)生熱位移，在不同材料交界處形成熱應(yīng)力，從而引起功率模塊材料界面老化導(dǎo)致接觸變差，使得器件結(jié)溫上升，最終導(dǎo)致焊料層和鍵合引線失效，這會給用戶造成代價高昂的系統(tǒng)停運(yùn)甚至災(zāi)難性的故障。因此，功率器件的熱管理對提高系統(tǒng)可靠性有著重要意義，是目前研究的熱點(diǎn)。

為了改善器件的可靠性，半導(dǎo)體器件廠商對部件連接技術(shù)和模塊組裝做了改進(jìn)，但該方法受限于工藝技術(shù)。通常，功率器件制造廠商會在研發(fā)與量產(chǎn)階段通過加速老化試驗(yàn)檢測部分模塊樣品可靠性，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的方法進(jìn)行評估，從而獲得某一產(chǎn)品系列的可靠性與壽命指標(biāo)。但研發(fā)設(shè)計階段的測試很難涵蓋功率模塊實(shí)際工作時所經(jīng)歷的電氣、熱載荷情況。實(shí)際工況下所出現(xiàn)的大多數(shù)故障仍然是熱管理不足所造成的。

在具體的應(yīng)用中，由于冷卻系統(tǒng)和半導(dǎo)體器件基板之間的熱容很大，只有緩慢變化的溫度才能得到補(bǔ)償，因此外部熱管理適用于低頻結(jié)溫波動。而對快速的溫度變化，則考慮調(diào)節(jié)系統(tǒng)中與溫度相關(guān)的電參量來直接影響結(jié)溫。D. A. Murdock等首次提出主動熱管理概念，希望通過該技術(shù)控制功率模塊的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力。迄今為止，學(xué)者們已經(jīng)探索出了包括調(diào)節(jié)開關(guān)頻率、柵極電阻、占空比、循環(huán)無功功率和功率路由器等多種主動熱管理策略，并從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了其可行性。但這些方法尚未得到全面總結(jié)。

輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）的研究人員對這些方法進(jìn)行了回顧，并將這些方法按器件級主動熱管理和系統(tǒng)級主動熱管理進(jìn)行分類分析和對比，主動熱管理方法如圖1所示。

他們針對功率器件的主動熱管理可分為降低器件平均結(jié)溫和減小結(jié)溫波動，按控制目標(biāo)參量又可分為內(nèi)部熱管理和外部熱管理，并重點(diǎn)討論了如何通過內(nèi)部熱管理來減小器件結(jié)溫波動。他們系統(tǒng)性地闡述了針對功率器件的主動熱管理方法，包括開關(guān)頻率法、驅(qū)動電壓法、輸出頻率法和直流母線電壓法等，并從實(shí)現(xiàn)難度、響應(yīng)速度和對輸出有無影響等多個角度對這些方法進(jìn)行綜合對比分析。

圖1 主動熱管理方法

研究人員指出，不同的熱管理方法在其影響參量、應(yīng)用場景和調(diào)節(jié)方式等諸多方面均存在差異，因此不能從單一角度對其進(jìn)行評價。本課題將各方法按是否需要修改原拓?fù)洹敵鲇袩o影響、響應(yīng)速度、實(shí)現(xiàn)難度、熱應(yīng)力緩解程度和適用場合等多方面進(jìn)行綜合對比，建立一個全面的評價體系，涵蓋了開關(guān)頻率、驅(qū)動電壓、柵極電阻、調(diào)制方式、占空比、緩沖電路、輸出頻率、直流母線電壓、無功調(diào)節(jié)、有功調(diào)節(jié)、功率動態(tài)分配和負(fù)載電流等主動控制方法。

主動熱管理方法綜合對比見表1。具體分析如下：

（1）修改電路：對于通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓和柵極電阻進(jìn)而平滑結(jié)溫這兩類技術(shù)，均需要特制的柵極驅(qū)動器才能實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)自帶的驅(qū)動器通常不能滿足。同樣地，緩沖電路法也需要對原電路進(jìn)行修改。其余方法則只需在現(xiàn)有的拓?fù)浠A(chǔ)上對控制算法進(jìn)行改進(jìn)即可。其中，通過調(diào)整電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平滑結(jié)溫的策略，需要引入輔助開關(guān)管，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的切換，增加的輔助電路勢必會帶來額外損耗。

（2）輸出影響：驅(qū)動電壓法、柵極電阻法和緩沖電路法均是基于調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)瞬態(tài)的dIC/dt和dUCE/dt，從而改變器件的開關(guān)損耗；直流母線電壓法則在電機(jī)處于低速時，利用母線電壓的冗余調(diào)節(jié)器件開關(guān)損耗；無功調(diào)節(jié)法將用于平滑結(jié)溫的無功功率限制在系統(tǒng)內(nèi)部；功率動態(tài)分配法只是根據(jù)器件老化程度而重新分配每個子模塊輸出功率，因此以上熱管理策略均認(rèn)為對輸出電能質(zhì)量沒有影響。

（3）響應(yīng)速度：根據(jù)控制策略所作用的位置不同，響應(yīng)速度也會不同，即越靠近功率器件，對結(jié)溫的調(diào)控速度將越快。

表1 主動熱管理方法綜合對比

（4）實(shí)現(xiàn)難度：主動熱管理的實(shí)現(xiàn)難度很大程度上取決于是否需要更改原電路結(jié)構(gòu)，更改電路將會使得實(shí)現(xiàn)難度加大，同時還要考慮算法上的難度。

（5）結(jié)溫波動減小百分比：對比分析了不同熱管理方法降低結(jié)溫的百分比，并結(jié)合公式計算出對應(yīng)的IGBT器件壽命延長倍數(shù)。本課題所列舉的主動熱管理方法有著不同的適用場景，且同類熱管理方法由于使用的差異也會造成效果的不同。因此該比值和IGBT壽命延長倍數(shù)僅代表此類熱管理方法在其適用場合下的典型效果。

（6）適用場合：對比分析變流器拓?fù)浼翱刂品椒?，得到了其典型適用場合，并通過理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)用性。

研究人員針對當(dāng)前功率器件主動熱管理方法的不足之處，建議從以下幾方面展開進(jìn)一步研究：

1）結(jié)溫測量是功率器件主動熱管理的基礎(chǔ)，結(jié)溫測量的精度、速度將影響主動熱管理的效果，因此成本低、高速而準(zhǔn)確地獲得結(jié)溫并配合相應(yīng)的主動熱管理策略，面臨著挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。

2）主動熱應(yīng)力控制可以減少熱循環(huán)的影響，但在許多系統(tǒng)中主要目標(biāo)是使效率最大化，因此這類系統(tǒng)的熱管理策略應(yīng)盡量減小功率損耗引入。

3）延長功率器件壽命對電能質(zhì)量的影響尚未在已有的文獻(xiàn)中進(jìn)行深入探討，但許多應(yīng)用對電能質(zhì)量要求嚴(yán)苛，因此量化主動熱管理與電能質(zhì)量之間的關(guān)系將在器件壽命與系統(tǒng)性能之間取得一個良好的折中。

4）本課題所列舉的主動熱管理方法大都具有一定的兼容性，因此可根據(jù)需要在一個系統(tǒng)中使用多種熱管理方法，通過融合多個策略以最大程度減小功率器件的熱效應(yīng)沖擊。

5）通過對電力系統(tǒng)的熱分析表明，同一個變流器中的各功率器件承受的熱應(yīng)力存在差異，這種差異在系統(tǒng)發(fā)生故障時尤為明顯。因此有必要對系統(tǒng)內(nèi)各功率器件實(shí)現(xiàn)差異性的主動熱管理。

本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于IGBT結(jié)溫波動平滑控制的主動熱管理方法綜述”，作者為魏云海、陳民鈾 等。本文第一作者為魏云海，輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）碩士研究生，1996年生，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件可靠性。通訊作者為賴偉，輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）副教授，博士生導(dǎo)師，1986年生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷煽啃詨勖：蜖顟B(tài)監(jiān)測等。本課題得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、山西省揭榜招標(biāo)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)和國家自然科學(xué)基金-智能電網(wǎng)聯(lián)合基金的資助。