[发明专利]一种利用壳温评估IGBT功率模块老化状态的方法

说明书

本发明涉及一种利用壳温评估IGBT功率模块老化状态的方法,包括以下步骤：建立IGBT功率模块的电‑热耦合模型；通过实验方法获取IGBT功率模块的壳温数据；建立IGBT壳温预测老化状态的极限学习机模型，实现评估IGBT功率模块老化状态的功能。本发明设计合理，其利用IGBT壳温便于测量以及壳温可以反映IGBT老化状态的特点，在评估过程中，充分考虑IGBT老化的影响，通过电‑热耦合模型能够更加准确地获得全新功率模块中IGBT功率损耗和壳温的变化情况，从而利用壳温评估IGBT的老化状态，本发明无需测量结温即可确定模块的老化状态，从而避免疲劳失效造成的损坏，提高电力电子设备运行的可靠性。

技术领域

本发明属于电力电子器件技术领域，尤其是一种利用壳温评估IGBT功率模块老化状态的方法。

背景技术

目前，传统的化石能源逐渐减少，能源问题已经成为人类进一步发展的重要议题。煤、石油、天然气等不可再生能源的使用会产生污染物，这对环境造成了巨大的污染。目前，全世界的科学家都在努力的探索新能源，寻求可持续发展，人类已经迈入了新能源时代。

风力发电是一种新能源方式，由于风力发电机组经常工作在严苛环境下，容易受到子系统的影响。功率转换器件作为最重要的子系统，一旦出现故障将导致风力发电机组停止工作。在电力电子子系统中，最重要的器件是IGBT(Insulated-GateBipolarTransistor)功率模块，因此研究IGBT的老化状态评估方法对于风机发电机组的运行具有指导意义。在IGBT功率模块的实际应用中，采取措施可以避免过电压和过电流等故障，IGBT功率模块的工作能力降低主要是由模块的老化引起的，为了保证IGBT功率模块的可靠工作，在线评估IGBT功率模块的老化状态至关重要。

IGBT功率模块的老化状态主要是利用电参数和热参数来评估。在目前的实验测量方法中，经常通过监测饱和压降、结壳热阻、开关时间、门极信号和结温等参数的变化情况来评估IGBT功率模块的老化状态，监测饱和压降的变化情况来表征键合线故障，这是最常见的封装故障之一。

随着IGBT功率模块的老化，其内部结构也在不停地发生着变化，热应力导致的引线和焊接层的损伤会使得IGBT的饱和压降增大，焊接层等老化问题会引起功率损耗增加从而导致芯片结温上升。然而，饱和压降随着IGBT模块的老化直至失效的变化情况在各个时期是不同的，该方法可以起到监测IGBT模块是否要失效的作用，但不能全面监测IGBT模块的老化情况。

由于IGBT在老化过程当中内部材料的物理属性在不断变化，进而引起结壳热阻的变化，首先计算出初始结壳热阻，指出模块在退化过程中各层封装材料、物理参数及导热面积的变化会导致结壳热阻的变化；然后，对IGBT模块进行了温度循环老化试验，并在老化过程中测量模块的结壳热阻，研究结壳热阻在老化过程中的变化情况，从而根据结壳热阻的变化评估IGBT的老化情况。

IGBT模块故障主要由温度波动引起的热机械应力造成的，IGBT模块的可靠性与其结温密切相关，因此，无论是利用饱和压降还是结壳热阻评估IGBT功率模块的老化状态，均会用到参数结温T_j，但是结温并不能在线测量，目前常用的结温测量与计算方法包括实验测量方法、迭代数值计算方法和仿真分析方法，实验测量方法包括热传感器法、红外探测法和电参数法。迭代数值计算法根据电-热比拟原理建立IGBT模块工作的电路图，然后对于结温进行迭代计算，需要的迭代次数多，计算复杂且精度较低。仿真分析方法通过建立电-热耦合模型，预测IGBT的瞬态和稳态结温，但却未能考虑模块老化对于电热参数产生的影响。上述方法既未考虑模块不同老化程度对结温的影响，也不能实现准确的在线测量。

准确评估IGBT的老化状态对于提高IGBT在运行中的可靠性和安全性至关重要。在工程实际中，人们很难直接测量IGBT的参数情况，例如饱和压降，结壳热阻，结温等参数的测量都显得较为困难。目前，通过对于结温的测量来评估IGBT的老化状态的研究较多，但是结温的测量和计算都较为困难，无疑会破坏IGBT功率模块的封装结构，增加成本且结果不准确。

发明内容