[发明专利]基于半实物仿真平台的IGBT器件的寿命预测方法

说明书

本发明属于轨道交通用电力电子器件技术领域，具体涉及基于半实物仿真平台的IGBT器件的寿命预测方法，包括如下步骤：利用机车/动车真实TCU，通过半实物仿真平台获取IGBT器件的电学参数；根据所述电学参数计算IGBT器件的损耗值；利用电热网络模型，根据所述损耗值获取IGBT器件的结壳温度变化曲线；根据雨流算法对IGBT器件的结壳温度载荷进行雨流计数统计；利用IGBT器件的损伤累积模型计算IGBT器件的寿命。该寿命预测方法，利用动车/机车真实TCU提供更接近于实际工况下的电流、电压变化，等效于现场采集数据的准确性，为确定轨道交通用IGBT器件的更换时间，实现IGBT器件的全寿命周期管理提供理论依据。

技术领域

本发明属于轨道交通用电力电子器件技术领域，涉及IGBT器件的寿命预测方法，具体涉及基于半实物仿真平台的IGBT器件的寿命预测方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)作为功率开关器件，具有载流密度大、饱和压降低等许多优点，在轨道交通、智能电网、工业控制、电动汽车等领域应用广泛。IGBT器件工作环境恶劣，如电流强度大、电压等级高、工作期间开关频率很高，这些都容易导致器件疲劳老化，给器件的可靠性带来了隐患。通过长期研究和工作经验，大约55％的失效原因是因为器件工作时的电压、电流、开关频率较高，导致器件的结温升高；而结温升高将加速器件的老化，当结温达到一定的高度时，器件的疲劳程度会呈现几何级数上升趋势，从而导致器件失效。IGBT器件的机械应力失效是由于器件各层材料的热膨胀系数存在差异，导致不同材料将承受不同程度的热应力，长期累积后导致器件热疲劳失效，最终导致器件过热失效。

目前，一些主要的功率半导体公司均开发了基于模块的功耗和结温模拟软件，如英飞凌IPOSIM、塞米控SEMISEL、三菱MELCOSIM和富士模拟软件等，旨在帮助用户在设计过程中了解系统功耗和最高结温，优化散热系统，选择最合适的器件。然而，温度时间历程是复杂且随机变化的，实时监控困难较大，以上软件并不能完成工况变化下结温变化的仿真。因此，逐渐开始使用Matlab/Simulink、PLECS等相关软件仿真用于不同运行工况下，变流器处于整流、逆变工作模式IGBT器件结温/壳温提取。有部分研究学者通过采集现场IGBT器件的电压、电流数据用于结壳温度提取。

然而，采用模块的功耗和结温模拟软件仿真获得的IGBT结壳温度与真实数据存在一定差异，准确性不高。采集实时现场数据，经过Matlab/Simulink电热模型进行IGBT结温实时计算，此方案需要现场采集机车实时数据，实用度不高，且投入成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于半实物仿真平台的IGBT器件的寿命预测方法，为确定轨道交通用IGBT器件更换时间，实现IGBT器件全寿命周期管理提供了理论依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

这种基于半实物仿真平台的IGBT器件的寿命预测方法，具体包括如下步骤：

1)利用机车/动车真实TCU，通过半实物仿真平台获取IGBT器件的电学参数；

2)根据所述电学参数计算IGBT器件的功率损耗值；

3)利用电热网络模型，根据所述损耗值获取IGBT器件的结壳温度变化曲线；

4)根据雨流算法对IGBT器件的结壳温度载荷进行雨流计数统计；

5)利用IGBT器件的损伤累积模型计算IGBT器件的寿命。

进一步地，所述步骤1)利用机车/动车真实TCU，通过半实物仿真平台获取IGBT器件的电学参数，具体包括如下步骤：

1.1)利用机车/动车真实TCU，通过半实物仿真平台完成机车“启动-加速-匀速-制动”整个工况仿真；