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基于老化补偿的功率模块全生命周期在线结温监测方法

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admin 发表于 2024-12-14 11:21 | 查看全部 阅读模式

文档名:基于老化补偿的功率模块全生命周期在线结温监测方法
摘要:功率模块结温在线监测对提升系统性能和可靠性具有重要意义.应用导通饱和压降和电流对结温进行估计,对测量带宽要求不高,对硬件和算法的侵入性低,是比较理想的结温在线监测方法.但是传统的测量方法很难满足结温精度要求,另外长期工作下功率模块老化会引起温度模型参数漂移,进一步加剧结温估计误差.为此,该文提出一套高精度测量电路和采样校准策略,应用温漂抑制、动态自适应采样、误差定向标定、同步时序控制等策略,大幅提高了在线采样分辨率和结温估计精度.针对老化问题,提出一种基于大电流注入的急停控制策略,解决了老化特征参数在线辨识问题,实现了结温模型的老化补偿,大大提高了老化后的结温监测精度,实现了全生命周期高精度在线监测.最后,在250kW三相变流器平台上进行了实验验证,得到老化前后的结温估计误差,证明了该文方法对提高结温监测精度具有明显效果.

Abstract:Onlinejunctiontemperature(TJ)monitoringofpowermodulesisessentialtoimprovesystemperformanceandreliability.TJestimationmethodwithon-statevoltage(VCE)athighcurrent(OVHCmethod)hastheadvantagesofsamplingbandwidth,controlstrategyinvasion,andhardwareintegration.Nevertheless,higherrequirementsarestillputforwardfortheon-statevoltageandcurrentonlinesamplingaccuracytoensureTJestimationprecision.Duetothedifficultyandcostofonlinemeasurement,TJonlinemonitoringisstillinthetheoreticalresearchstage,andtherearefewhigh-precisionengineeringapplications.Furthermore,mostthermalsensitiveelectricalparameters(TSEPs)areaffectedbythedegradationofpowermodules,whichisacommonchallenge.Therefore,itisessentialtomeasureanddecoupletheagingcharacteristicparameters.ThispaperintroducestheTJmodel,identificationmethod,andonlinemonitoringarchitectureofOVHC.Then,thehigh-precisionmeasurementcircuitandsamplingstrategyareproposed.ThetemperatureresolutionofVCEcanbeincreasedbyover6timesusingdynamicallyadjustablesubtractorsandmultiplierstoformarangeadaptioncircuit,coupledwiththermalmatchingofFRDsandharmonicsuppression.Toreusethelowprecisioncurrentsensoroftheconverter,acurrentcalibrationmethodorientedtoTJaccuracyisadoptedtoeliminatethesystemerrorofthesensor.Furthermore,thedelaycompensationinhardwareandthesynchronousoversamplingstrategyinsoftwareareproposed.High-qualitysamplingisrealizedthroughcircuitdesignandstrategycontrolwithoutrelyingonadvanceddevices.Thehardwarecostandvolumeareverysmall,whichcreatesconditionsforpracticalapplication.TheinfluenceofagingonOVLCismainlymanifestedintheincreaseofVCEcausedbybondwireshedding,whichleadstothedriftofTJmodel.Therefore,thechangeofon-stateimpedanceat0℃(ΔRL,0)isderivedtocharacterizetheagingprocessofthemodule.Asudden-stopcontrolstrategybasedonhighcurrentinjectionisproposedtoaddresstheagingissue.TheTJatstoptimeisobtainedbytheon-statevoltagemethodatlowcurrent(OVLCmethod),whichisaginginsensitive,andthedegradationparameterΔRL,0isidentifiedbytheVCE,IC,andTJatthestoptime.ThenΔRL,0issubstitutedintotheoriginalTJmodelforagingcompensation.Finally,theflowchartofthecompensationmethodisgivenforreducingtheestimationerrorcausedbydegradation,realizingthehigh-precisionTJmonitoringthroughoutthewholelifecycle.Experimentalverificationisperformedona600V/250kWthree-phaseinvertersystem.Thesudden-stopcontrolstrategyisalsousedtoverifytheaccuracyofTJmonitoring.Basedonthehigh-precisioncircuitandsamplingstrategy,theerrorofTJonlineestimationislessthan5℃.After300000powercycles,theerrorofonlinemonitoringreaches22℃becauseofthedegradation.ThecompensationmethodupdatesthedegradationparameterΔRL,0=0.032mΩ,andtheerrorislimitedtowithin7℃.

作者:郑丹  宁圃奇  仇志杰  范涛  温旭辉Author:ZhengDan  NingPuqi  QiuZhijie  FanTao  WenXuhui
作者单位:中国科学院电工研究所北京100190
刊名:电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(12)
分类号:TM46
关键词:结温在线监测  导通饱和压降  高精度测量  老化补偿  参数辨识  
Keywords:Onlinejunctiontemperaturemonitoring  on-statecollector-emittervoltage  high-precisionmeasurement  agingcompensation  parameteridentification  
机标分类号:TP391.41TM351TM461
在线出版日期:2024年7月19日
基金项目:国家重点研发计划基于老化补偿的功率模块全生命周期在线结温监测方法[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(12)郑丹  宁圃奇  仇志杰  范涛  温旭辉功率模块结温在线监测对提升系统性能和可靠性具有重要意义.应用导通饱和压降和电流对结温进行估计,对测量带宽要求不高,对硬件和算法的侵入性低,是比较理想的结温在线监测方法.但是传统的测量方法很难满足结温精度要求...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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