绝缘栅双极型晶体管热可靠性管理

成果名称

绝缘栅双极型晶体管热可靠性管理

成果联系人

胡震

职称

讲师

所在单位

自动化学院、人工智能学院

联系电话

Email

huzhen0111@njupt.edu.cn

技术成熟度

应用方案

技术分类

信息器件

核心专利号

所属学科方向

一级学科

电力电子与电力传动

二级学科

应用行业

风力发电、高铁、电源等

项目概况：

近半个世纪的化石燃料使用导致我国资源短缺、环境污染等问题日益突出，对我国的能源安全及可持续发展战略造成严重威胁，且已严重影响子孙后代的可持续发展。为减少对传统能源的依赖、降低环境污染，我国各部门相继出台政策支持新能源及节能减排技术的发展，电动汽车、新能源发电、高铁及智能电网等被列为重点发展领域。发展电动汽车、新能源发电、高铁及智能电网等产业，不可避免的涉及电能的转换及处理，而以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)为代表的全控型功率器件不仅是电能转换及处理系统的核心部件，更是确保电能转换及处理系统安全运行的基石。然而，IGBT 模块在服役过程中极易因复杂恶劣的工作环境而发生疲劳损伤失效。而且应用于电动汽车、新能源发电、高铁和智能电网等领域中的IGBT模块主要为大容量系列产品，一旦失效，故障会扩展至整个装备乃至系统，可能造成重大的经济损失，甚至是严重的安全事故。因此， IGBT模块的可靠性运行技术已经成为电动汽车、新能源发电、高铁及智能电网等产业发展的重要技术保障，是我国构建低碳经济网络亟须解决的关键技术之一。

关键技术：

(1) IGBT 状态-空间模型参数实时在线辨识：考虑到实际应用中对 IGBT 模块温度状态信息的时效性、准确性的内在需求，须对 IGBT 模块状态-空间模型的参数进行实时、在线辨识。然而，焊料层的疲劳损伤是一个十分复杂的过程，而且封装的 IGBT 模块为密闭结构，难以通过直接测量方式获取焊料层的疲劳损伤信息。因此，设计了基于外部传感器信息实时监测焊料层疲劳损伤进程，并提取焊料层的损伤边界信息，基于损伤信息及器件线性热特性原理对模型参数进行在线辨识。

(2) 基于有限时间有界理论的 IGBT 结温控制策略：考虑到外部负荷的随机性，通常只须确保 IGBT 结温处于某个安全可控的范围以内。而传统的控制方法中，一般要求设计控制器使状态变量收敛于某个特定的值，这对 IGBT 结温控制而言显然代价过高，且不易实现。因此，引入了有限时间有界理论，使   IGBT 结温处于设定的安全范围内，实现IGBT结温的精确控制。

(3)   IGBT 可控变量与外部负荷技术指标关系的确定：变流器系统与外部负荷的交互过程十分复杂，某个可控变量的调整可能影响多个外部负荷技术指标，而多个可控变量的调整可能影响同一个外部负荷技术指标，造成可控变量与外部负荷技术指标关系错综复杂。此外，外部负荷技术指标的重要性也有区别，在进行结温控制综合优化时不能按照同一尺度要求。因此，提出了可控变量与外部负荷技术指标的关系函数，设计了外部负荷技术指标的优先级函数，可实现结温控制综合优化。

应用领域和市场前景：

针对高铁、智能电网等关键领域对 IGBT 模块高可靠运行性能的内在需求，考虑温度对 IGBT 模块工作性能及疲劳损伤的影响，开展对 IGBT 模块结温管理优化策略的研究。在对外部负荷的运行不产生影响或影响较小的前提下，通过对与 IGBT 模块功率损耗生成有关的可控变量的在线配置，实现对 IGBT 模块内部结温的精确控制，降低高温及结温波动对 IGBT 模块造成的热损伤及对工作性能的影响，提升复杂工况条件下的IGBT模块的可靠运行能力，避免因高温引起 IGBT 模块的突发失效而造成系统停机。

合作方式（技术转让，技术开发，技术服务，技术咨询，技术入股）：

*技术转让
   *技术开发

*技术咨询

*技术服务
   *技术入股

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