计及老化的光伏逆变器IGBT结温在线修正方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT模块结温在线修正方法及系统，属于电力电子设备核心器件可靠性领域，方法的实现包括：针对光伏逆变器拓扑结构、光照辐射强度、环境温度建立IGBT模型电热耦合模型；选定IGBT集电极

【技术实现步骤摘要】
计及老化的光伏逆变器IGBT结温在线修正方法及系统


[0001]本专利技术属于电力电子设备核心器件可靠性领域，更具体地，涉及一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT模块结温在线修正方法及系统。

技术介绍

[0002]光伏发电产业是发展最快的新兴产业之一，光伏逆变器作为分布式电源与配电网的衔接设备，其承担着电能变换、传递的关键作用。目前，最常用的光伏逆变器是三相电压型桥式逆变器，其输出相电压包含两种电平，因而被称为三相二电平逆变器；绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)以其开关速度快、驱动电路较为简单、耐压性好、电流容量大等优势在光伏逆变器中得以广泛应用。光伏逆变器的故障在很大程度上由IGBT的失效导致。光伏逆变器往往位于户外，受到光照强度波环境温度、辐射波动的影响，其核心器件IGBT往往承受着大量热应力循环载荷，它的性能会逐渐退化直至失效。
[0003]研究表明，结温的波动是IGBT故障的主要原因。由于热膨胀系数不同，在IGBT结构中的热应力不均匀，导致对键合线、焊料层及芯片内部的损伤。结温数据的获取方法有以下三类：仪器测量法、热敏参数法、电热耦合法，从测量区域、应用成本、破坏性、工况适应性等多个方面进行比对，可电热耦合模型的综合评价最高。
[0004]但是，IGBT的电热耦合模型通常根据IGBT的出厂技术手册建立。由于工作过程中疲劳损坏，IGBT不断老化，这使得预先建立的电热耦合模型不再适应当前的IGBT健康状态。由此可见，IGBT老化进程对光伏逆变器IGBT可靠性评估有着不可忽视的影响。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT结温在线修正方法及系统，将IGBT老化监测引入IGBT结温修正，可以实现结温数据的在线修正，确保了结温数据的真实性，实现了计及老化进程对于光伏逆变器IGBT结温计算的影响，进而提高了可靠性评估的准确性。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT结温在线修正方法，包括：
[0007](1)针对光伏逆变器拓扑结构、IGBT型号、光照辐射强度及环境温度建立IGBT模型电热耦合模型；
[0008](2)以IGBT集电极
‑
发射极通态压降V
ce_on
作为老化参数，并针对IGBT的工作特性设计电压采样电路，用于采集IGBT集电极
‑
发射极通态压降；
[0009](3)针对不同老化阶段的IGBT模块，基于大电流、小电流注入法建立老化数据库，其中，老化数据库包括测试电流、老化阈值及标定结温值；
[0010](4)对比电热耦合模型输出的结温值与标定结温值，标定电热耦合模型修正公式老化进程系数；
[0011](5)对比IGBT老化监测值与老化阈值以判断老化进程，选定对应的老化进程系数，
以确保结温数据准确性。
[0012]在一些可选的实施方案中，步骤(2)包括：
[0013](2.1)对于U、V、W三相电路中任意一相的上桥臂IGBT集射极通态压降测量电路设计：由1个自驱MOSFET、1个外驱MOSFET、1个限流电路以及1个接地端子GND组成，其中，外驱MOSFET的驱动信号为下桥臂IGBT的驱动信号，自驱MOSFET的开通阈值为负值；在上桥臂IGBT开通时，电流并不会流经采样支路，此时自驱MOSFET的驱动电压为0大于其开通阈值，则测量端口电压为集电射极通态压降V
ce_on
；在上桥臂IGBT关断时，电流流经采样支路，限流电阻两端产生负的压降小于自驱MOSFET的开通阈值，故自驱MOSFET关断，此时外驱MOSFET在下桥臂IGBT的驱动信号开通，将测量端口的电压置0；通过上述工作过程，能够采集上桥臂IGBT的集射极通态压降V
ce_on
，并屏蔽IGBT关断时集射极两端的高电压；
[0014](2.2)对于U、V、W三相电路中任意一相的下桥臂IGBT集射极通态压降测量电路设计：由1个自驱MOSFET、1个外驱MOSFET、1个限流电路、1个负压端口V
‑
以及1个接地端子GND组成，其中，外驱MOSFET的驱动信号为上桥臂IGBT的驱动信号，自驱MOSFET的开通阈值为负值；在下桥臂IGBT开通时，电流并不会流经采样支路，此时自驱MOSFET的驱动电压为0大于其开通阈值，则测量端口电压为集电射极通态压降V
ce_on
；在下桥臂IGBT关断时，电流流经采样支路，限流电阻两端产生负的压降小于自驱MOSFET的开通阈值，故自驱MOSFET关断，此时外驱MOSFET在下桥臂IGBT的驱动信号开通，将测量端口的电压置为负压端口电压值；通过上述工作过程，能够采集U相下桥臂IGBT的集射极通态压降V
ce_on
，并屏蔽IGBT关断时集射极两端的高电压。
[0015]在一些可选的实施方案中，步骤(3)包括：
[0016](3.1)使健康的光伏逆变器IGBT模块在小电流Imin下工作，测得集电极
‑
发射极导通压降V
ce_min
与结温T
j
对应关系，其中，小电流工作情况下，IGBT模块集电极
‑
发射极导通压降与结温成线性关系，且不受老化进程影响；
[0017](3.2)通过剪切IGBT模块键合线来模拟不同的老化阶段；
[0018](3.3)针对不同老化阶段的IGBT模块，使其工作在大电流Imax下，测量此时的集电极
‑
发射极导通压降V
ce_max
，作为当前老化阶段的阈值，在同一开关信号周期内，注入小电流Imin测量集电极
‑
发射极导通压降V
ce_min
，并据此测量结温T
j
，作为当前老化阶段的标定结温值。
[0019]在一些可选的实施方案中，步骤(4)包括：
[0020](4.1)对于各个老化阶段，保持电热耦合模型运行参数测试条件一致；
[0021](4.2)计算电热耦合模型输出结温值与标定结温值差值ΔT；
[0022](4.3)调整电热耦合模型等效热网络参数修正公式中的老化进程系数β，使得差值ΔT为0，并记录此时的老化修正系数β，其中，C＝C0(1+l
·
β
m
)，C表示修正后的等效热网络参数，C0为等效热网络原始参数，l为IGBT模块老化特征值，β为老化进程系数，m为加速老化因子。
[0023]按照本专利技术的另一方面，提供了一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT结温在线修正系统，包括：
[0024]模型建立模块，用于针对光伏逆变器拓扑结构、IGBT型号、光照辐射强度及环境温度建立IGBT模型电热耦合模型；
[0025]采样模块，用于以IGBT集电极...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT结温在线修正方法，其特征在于，包括：(1)针对光伏逆变器拓扑结构、IGBT型号、光照辐射强度及环境温度建立IGBT模型电热耦合模型；(2)以IGBT集电极
‑
发射极通态压降V
ce_on
作为老化参数，并针对IGBT的工作特性设计电压采样电路，用于采集IGBT集电极
‑
发射极通态压降；(3)针对不同老化阶段的IGBT模块，基于大电流、小电流注入法建立老化数据库，其中，老化数据库包括测试电流、老化阈值及标定结温值；(4)对比电热耦合模型输出的结温值与标定结温值，标定电热耦合模型修正公式老化进程系数；(5)对比IGBT老化监测值与老化阈值以判断老化进程，选定对应的老化进程系数，以确保结温数据准确性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：(2.1)对于U、V、W三相电路中任意一相的上桥臂IGBT集射极通态压降测量电路设计：由1个自驱MOSFET、1个外驱MOSFET、1个限流电路以及1个接地端子GND组成，其中，外驱MOSFET的驱动信号为下桥臂IGBT的驱动信号，自驱MOSFET的开通阈值为负值；在上桥臂IGBT开通时，电流并不会流经采样支路，此时自驱MOSFET的驱动电压为0大于其开通阈值，则测量端口电压为集电射极通态压降V
ce_on
；在上桥臂IGBT关断时，电流流经采样支路，限流电阻两端产生负的压降小于自驱MOSFET的开通阈值，故自驱MOSFET关断，此时外驱MOSFET在下桥臂IGBT的驱动信号开通，将测量端口的电压置0；通过上述工作过程，能够采集上桥臂IGBT的集射极通态压降V
ce_on
，并屏蔽IGBT关断时集射极两端的高电压；(2.2)对于U、V、W三相电路中任意一相的下桥臂IGBT集射极通态压降测量电路设计：由1个自驱MOSFET、1个外驱MOSFET、1个限流电路、1个负压端口V
‑
以及1个接地端子GND组成，其中，外驱MOSFET的驱动信号为上桥臂IGBT的驱动信号，自驱MOSFET的开通阈值为负值；在下桥臂IGBT开通时，电流并不会流经采样支路，此时自驱MOSFET的驱动电压为0大于其开通阈值，则测量端口电压为集电射极通态压降V
ce_on
；在下桥臂IGBT关断时，电流流经采样支路，限流电阻两端产生负的压降小于自驱MOSFET的开通阈值，故自驱MOSFET关断，此时外驱MOSFET在下桥臂IGBT的驱动信号开通，将测量端口的电压置为负压端口电压值；通过上述工作过程，能够采集U相下桥臂IGBT的集射极通态压降V
ce_on
，并屏蔽IGBT关断时集射极两端的高电压。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：(3.1)使健康的光伏逆变器IGBT模块在小电流Imin下工作，测得集电极
‑
发射极导通压降V
ce_min
与结温T
j
对应关系，其中，小电流工作情况下，IGBT模块集电极
‑
发射极导通压降与结温成线性关系，且不受老化进程影响；(3.2)通过剪切IGBT模块键合线来模拟不同的老化阶段；(3.3)针对不同老化阶段的IGBT模块，使其工作在大电流Imax下，测量此时的集电极
‑
发射极导通压降V
ce_max
，作为当前老化阶段的阈值，在同一开关信号周期内，注入小电流Imin测量集电极
‑
发射极导通压降V
ce_min
，并据此测量结温T
j
，作为当前老化阶段的标定结温值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：
(4.1)对于各个老化阶段，保持电热耦合模型运行参数测试条件一致；(4.2)计算电热耦合模型输出结温值与标定结温值差值ΔT；(4.3)调整电热耦合模型等效热网络参数修正公式中的老化进程系数β，使得差值ΔT为0，并记录此时的老化修正系数β，其中，C＝C0(1+l
·
β
m
)，C表示修正后的等效热网络参数，C0为等效热网络原始参数，l为IGBT模块老化特征值，β为老化进程系数，m为加速老化因子。5.一种计及老化进程的光伏逆变器IGBT结温在线修正系统，其特征在于，包括：模型建...

【专利技术属性】
技术研发人员：何怡刚，王传坤，张威威，隋春松，李猎，张慧，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：