收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

非平稳工况变流器IGBT模块结温平滑控制研究

吴军科  
【摘要】:功率变流器作为大型电力电子系统的核心组成部分,对系统的安全可靠运行起着举足轻重的作用。尤其是应用在可再生能源发电中的变流器,经常运行在处理功率大范围随机波动的严酷环境,导致变流器的可靠性和预期使用寿命远不及传统电力设备。究其原因,功率模块内部各层封装材料的热膨胀系数不一致,加上变流器处理功率长时间随机波动,导致模块内部结温剧烈变化,器件持续承受交变的热应力冲击,引起疲劳老化失效等问题,引发变流器系统故障。同时,随着技术的进步,从封装材料、设计与制造工艺角度提高变流器可靠性越来越受到成本和空间的限制,且无法避免故障发生。为此,论文选择从变流器运行层面研究提高可靠性的方法,重点研究了抑制和平滑模块内部热应力冲击的变流器热管理技术,以延缓器件疲劳老化速率,降低变流器发生故障的概率,提高系统可靠性。首先,研究了功率器件结温的影响因素及其估测方法。研究发现,除开关频率、器件电压电流幅值和相位,开关运行轨迹亦是一个可用于温度控制的参量。针对传统电热耦合模型中损耗计算存在精度和计算速度的矛盾,推导了空间电压矢量调制策略下功率器件的工频周期平均损耗计算模型。基于该模型,以直驱风电变流器为例,分析了风速波动时机侧和网侧变流器功率模块的损耗分布和结温变化规律。功率模块结温估测是研究变流器热管理的基础。针对模块结温无法直接测量的难题,提出了采用人工神经网络进行大电流下结温估测的解决方案,研究表明该方法具有较好的估测精度。其次,考虑到现有变开关频率调温的研究大多以过温保护和调节平均温度为主,提出了平滑结温波动的变频调温控制方案,并对开关频率的调节范围进行了探讨。设计了一台小型逆变器样机对变频调温方案进行了实验验证。采用所提变频调温方案实现了直驱风电变流器功率模块的结温平滑控制,借助米勒线性累积损伤理论和雨流计数法对热管理的效果进行了理论分析与验证。再者,针对变频调温方案存在调节范围受限的问题,在分析功率器件开关运行轨迹变化规律的基础上,论文首次提出了变开关轨迹实现损耗调节和结温平滑控制的思想及实现方案。通过在传统缓冲吸收电路基础上增加温控开关,提出了变开关运行轨迹调节结温的硬件实现方案。详细分析了所提温控电路的原理和工作过程,构建了温控电路用于结温平滑控制的占空比调节方案。研究表明,变开关轨迹调温的方法能有效平滑器件结温波动,减小模块内部热应力冲击。与变开关频率调温策略相比,该方法不影响变流器输出波形。最后,针对单一结温控制方案调温效果有限的问题,提出了多参量联合调节实现结温平滑控制的变流器综合热管理策略。以FPGA为载体,通过嵌入式编程设计,搭建了一套全数字化控制的功率变流器综合热管理系统。该系统既能实现变流器的正常稳定运行,满足功率处理的要求,又能通过多参量联合调节平滑结温波动,减小器件内部热应力冲击。考虑到从IGBT模块底壳到周边环境之间的热阻可以动态调节,通过控制散热风扇转速调节散热器热阻实现了变流器外部热管理。采用红外测温仪对开封模块表面的温度进行测量,以验证结温平滑控制的效果。研究表明,外部热管理虽然响应速度不及内部热管理,但能调节平均结温;同时综合热管理比单一调温方案平滑结温波动的效果更明显。总体而言,本文提出的变流器功率模块结温平滑控制策略具有如下优点:一是不影响系统的处理功率;二是平滑结温波动的效果明显,减缓了器件疲劳老化速率;三是不需要额外的储能系统。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;结温老化[J];半导体技术;1978年03期
2 高光渤;峰值结温筛选与节能[J];节能技术;1984年02期
3 陈明;胡安;唐勇;汪波;;绝缘栅双极型晶体管脉冲工作时结温特性及温度分布研究[J];西安交通大学学报;2012年04期
4 王惠艳;;晶闸管结温过高跳闸分析[J];高压电器;2010年10期
5 俞庆生;夏勋力;刘锐均;;大功率LED照明灯具的器件结温估算方法[J];中国照明电器;2011年09期
6 张永生;;直流传动变流器设计中的晶闸管结温核算[J];西安理工大学学报;1982年01期
7 杨敏杰;张伟;;两种旁路二极管结温测试方法的分析与比较[J];科技创新与应用;2013年20期
8 俞安琪;;LED照明产品检测方法的缺陷和改善的对策[J];中国科技财富;2010年15期
9 李松丽;张俊;;两种旁路二极管结温测试方法的分析与比较[J];上海计量测试;2013年01期
10 洪汝渝;;硅二极管的极限结温与本征温度[J];渝州大学学报(自然科学版);1990年04期
11 唐勇;陈明;汪波;;电力电子器件短时脉冲工作的结温特性研究[J];电力电子技术;2010年03期
12 俞安琪;;LED照明产品检测方法中的缺陷和改善的对策[J];照明工程学报;2010年04期
13 张春雨;李成榕;韩筱慧;查鲲鹏;汤广福;;基于晶闸管钼层实测温度计算结温的方法[J];中国电机工程学报;2012年22期
14 魏毅立;燕铁人;李含善;;功率器件结温暂态响应[J];包头钢铁学院学报;1993年04期
15 余彬海;王浩;;结温与热阻制约大功率LED发展[J];发光学报;2005年06期
16 田振华;孙成林;曹军胜;郜峰利;宁永强;王立军;;准连续输出大功率半导体激光器的结温测试[J];光学精密工程;2011年06期
17 陈明;胡安;唐勇;汪波;;IGBT结温及温度场分布探测研究[J];电力电子技术;2011年07期
18 安雪娥;;结温对LED性能的影响分析[J];电子制作;2014年07期
19 陈明;胡安;;IGBT结温模拟和探测方法比对研究[J];电机与控制学报;2011年12期
20 汪波;胡安;唐勇;;基于电热模型的IGBT结温预测与失效分析[J];电机与控制学报;2012年08期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 童家岭;邵妍;李晓春;毛军发;;基于场路等效的三维封装热模型与热分析[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2011年
2 郭伟玲;王晓明;陈建新;邹德恕;沈光地;;LED结温的测量方法研究[A];海峡两岸第十四届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集[C];2007年
3 慕建伟;滕飞;李开祥;宿天赋;李志;;LED结温及其计算方法[A];第二十七届中国(天津)2013IT、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议论文集[C];2013年
4 张志坚;;热阻法在IPM模块结温测试中的应用[A];《IT时代周刊》论文专版(第300期)[C];2014年
5 贾颖;李逗;曾晨晖;梁伟;曹红;;控制结温的功率晶体管稳态工作寿命试验的实现[A];第十一届全国可靠性物理学术讨论会论文集[C];2005年
6 吴军科;周雒维;孙鹏菊;杜雄;;功率变流器中IGBT模块的结温管理策略研究[A];第七届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集[C];2013年
7 毛德丰;郭伟玲;贾学姣;张勇辉;高国;沈光地;;功率LED热学特性研究[A];海峡两岸第十五届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集[C];2008年
8 张德骏;曹红;苗庆海;王家俭;张兴华;杨志伟;满昌峰;;控剖晶体管结温的稳态工作寿命试验方法[A];中国电子学会可靠性分会第十届学术年会论文集[C];2000年
9 毛德丰;郭伟玲;高国;沈光地;;功率LED电压与温度关系研究[A];中国照明论坛——城市照明节能规划、设计与和谐发展科技研讨会专题报告文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 吴军科;非平稳工况变流器IGBT模块结温平滑控制研究[D];重庆大学;2015年
2 陈全;大功率LED结温测试及其在封装热管理中的应用研究[D];华中科技大学;2012年
3 张晶晶;大功率白光LED阵列结温光谱检测技术的研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2014年
4 刘木清;照明用LED光效的热特性及其测试与评价方法的研究[D];复旦大学;2009年
5 张芹;大功率LED模块温度湿度加速寿命试验研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田坤淼;基于混合法的LED灯具结温表征及快速寿命预测研究[D];桂林电子科技大学;2015年
2 孔亚楠;大功率LED结温预测模型的研究[D];燕山大学;2015年
3 王勇;智能功率模块可靠性的有限元仿真研究[D];上海交通大学;2015年
4 李高显;风电变流器中功率半导体器件可靠性评估及其改善措施的研究[D];重庆大学;2015年
5 徐铭伟;绝缘栅双极型晶体管结温仿真模型及其应用研究[D];重庆大学;2012年
6 毛娅婕;绝缘栅双极型晶体管结温测量方法的研究[D];重庆大学;2013年
7 韩凯;大功率LED器件的热学研究[D];复旦大学;2011年
8 佘露;大功率LED结温与热阻在线测量研究[D];深圳大学;2015年
9 张万路;功率型LED热学建模与结温测试分析[D];复旦大学;2009年
10 叶炎钟;非接触式LED结温测试方法研究及测试系统设计[D];浙江大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前6条
1 何山嵩 广东;LED的寿命预测[N];电子报;2010年
2 上海力兹照明电气有限公司 汪钢 赵正之;LED灯条灯泡结温的测量[N];消费日报;2014年
3 国家电光源质量监督检验中心(上海) 国家灯具质量监督检验中心 上海时代之光照明电器检测有限公司 俞安琪;LED照明产品检测方法中的缺陷及改善的对策(之二)[N];消费日报;2012年
4 国家电光源质量监督检验中心(上海) 国家灯具质量监督检验中心 上海时代之光照明电器检测有限公司 俞安琪;LED照明产品检测方法中的缺陷及改善的对策(之四)[N];消费日报;2012年
5 国家电光源质量监督检验中心(上海) 国家灯具质量监督检验中心 上海时代之光照明电器检测有限公司 俞安琪;LED照明产品检测方法中的缺陷及改善的对策(之三)[N];消费日报;2012年
6 杭州浙大三色仪器有限公司董事长 牟同升;LED检测:满足产品需求 新应用领域有差距[N];中国电子报;2007年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978