一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质

技术领域

本发明涉及IGBT模块监测技术领域，尤其是涉及一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为交直流转换的功率半导体器件，兼具MOSFET 和GTR的高输入阻抗、低导通压降的优点，而且饱和压降低、驱动功率小，因而广泛应用于光伏和风力发电、电动汽车、轨道交通、智能电网等需要进行能源变换与传输的行业。焊料层是IGBT模块多层结构中最易损坏的部分之一，其出现焊料空洞也是焊料层的主要问题之一。究其原因，在IGBT模块的真空回流焊接过程中，由于工艺限制，焊接层会存在空洞。并且，在IGBT工作期间，由于空洞不稳定、功率的频繁变化以及材料热膨胀系数的不匹配，会导致空洞的进一步增大，进而使 IGBT模块过热失效。

由于目前的技术手段难以实现非侵入性结点温度采集，因此最早的IGBT健康评估主要取决于对温度敏感的电参数的测量。但是，这种方法不涉及传热机制，并且对测量电路的设计有很高的要求，因此电方法在非电焊料疲劳识别中仍然面临许多挑战。随着有限元仿真软件的普及，电热耦合的传热分析已成为识别焊料疲劳的新方向。通过使用有限元分析，有学者发现焊料疲劳会影响IGBT模块中整个温度场的概率分布，然后提出基于温度梯度统计特性的焊料疲劳识别方法。但是这种方法属于接触测量，寄生参数可能会受到影响。解决此问题的一种方法是使用低于直接覆铜陶瓷粘结层的外壳温度作为监测参数，以识别焊料疲劳。在基焊料层边缘裂纹的状态的情况下研究了温度趋势，他们发现IGBT的中央壳体温度与裂纹生长变化，所以外壳温度是指示老化程度的有效参数。中国发明专利CN104573266A公开了一种基于三维建模的分析空洞对IGBT热可靠性影响的方法，通过三维建模来分析焊料层空洞，但是，不可以在线实时监测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法、系统和介质，利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻，与健康IGBT模块在相同工况下的动态可识别热阻进行比较，从而实时识别焊料空洞，分析空洞损伤程度，还分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值，为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法，包括以下步骤：

S1、确定一个工况，获取待测IGBT模块在该工况下的电参数和温度参数；

S2、基于电参数，计算待测IGBT模块的功率损耗；

S3、建立热网模型，对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换，结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻R

S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻R

进一步的，所述电参数包括IGBT电参数和续流二极管电参数，其中，IGBT 电参数包括：正向导通压降V

更进一步的，IGBT模块的功率损耗包括IGBT功率损耗P

P

P

其中，E

其中，i

更进一步的，步骤S3中，计算待测IGBT模块的动态可识别热阻R

A1、建立热网模型，T

A2、动态可识别热阻R

其中，T

A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域：

A4、对T

其中，k表示采样时间；取多组T

待测IGBT模块的动态可识别热阻R

更进一步的，健康IGBT模块的动态可识别热阻R

获取健康IGBT模块的电参数和温度参数，基于电参数，计算健康IGBT模块的功率损耗；将健康IGBT模块的温度参数和功率损耗代入下式，求解得到健康 IGBT模块的动态可识别热阻R

T

T

健康IGBT模块的动态可识别热阻R

进一步的，步骤S4中，动态焊料空洞等效热阻ΔR

ΔR

ΔR

健康IGBT模块的动态可识别热阻R

更进一步的，步骤S4中，获取待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和耦合热阻更新值具体为：

获取待测IGBT模块的IGBT功率损耗P

一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别系统，包括：

数据获取单元，获取待测IGBT模块在预选定的工况下的电参数和温度参数；

第一处理单元，基于电参数，计算待测IGBT模块的功率损耗；

第二处理单元，建立热网模型，对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换，结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻R

第三处理单元，对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻R

进一步的，第二处理单元中，计算待测IGBT模块的动态可识别热阻R

A1、建立热网模型，T

A2、动态可识别热阻R

其中，T

A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域：

A4、对T

其中，k表示采样时间；取多组T

其中，待测IGBT模块的动态可识别热阻R

一种计算机存储介质，其上存储有可执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法。

与现有技术相比，本发明利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻，与健康IGBT模块在相同工况下的动态可识别热阻进行比较，从而实时识别焊料空洞，分析空洞损伤程度，还分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值，为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、确定一个工况，获取待测IGBT模块在该工况下的电参数和温度参数；

S2、基于电参数，计算待测IGBT模块的功率损耗；

S3、建立热网模型，对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换，结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻R

S4、对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻R

一种风电变流器IGBT模块焊料空洞识别系统，包括：

数据获取单元，获取待测IGBT模块在预选定的工况下的电参数和温度参数；

第一处理单元，基于电参数，计算待测IGBT模块的功率损耗；

第二处理单元，建立热网模型，对热网模型进行拉普拉斯变换和双线性变换，结合最小二乘法RLS计算得到待测IGBT模块的动态可识别热阻R

第三处理单元，对比相同工况下健康IGBT模块的动态可识别热阻R

一种计算机存储介质，其上存储有可执行的计算机程序，计算机程序被执行时实现风电变流器IGBT模块焊料空洞识别方法。

IGBT模块的电参数包括IGBT电参数和续流二极管电参数，其中，IGBT电参数包括：正向导通压降V

集电极电流I

IGBT模块的功率损耗包括IGBT功率损耗P

P

P

其中，E

其中，i

为了后续比较待测IGBT模块和健康IGBT模块的动态可识别热阻，本实施例中，如图1所示，先测量健康IGBT模块在不同工况下的参数，使用上述功率损耗计算公式计算健康IGBT模块在不同工况下的功率损耗，从而得到健康IGBT模块在不同工况下的动态可识别热阻R

在其他实施方式中，也可以确定待测IGBT模块的工况，令健康IGBT模块工作在与待测IGBT模块相同的工况下，即集电极电流I

结合健康IGBT模块在的功率损耗和热网模型可以计算健康IGBT模块的动态可识别热阻R

T

T

健康IGBT模块的动态可识别热阻R

对于待测IGBT模块，焊料层可能存在空洞，计算待测IGBT模块的动态可识别热阻R

A1、建立热网模型，T

A2、动态可识别热阻R

其中，T

A3、利用双线性变换将拉普拉斯变换中s平面的点映射至z域：

A4、对T

其中，k表示采样时间，如0、1、2…；取多组T

待测IGBT模块的动态可识别热阻R

动态焊料空洞等效热阻ΔR

ΔR

ΔR

健康IGBT模块的动态可识别热阻R

通过动态焊料空洞等效热阻ΔR

获取待测IGBT模块在空洞损伤下的自热阻更新值和耦合热阻更新值具体为：获取待测IGBT模块的IGBT功率损耗P

通过自热阻更新值和耦合热阻更新值，可以分析焊料空洞的增加，为进一步分析焊料空洞的损耗原因奠定了基础。

本申请提出了一种适用于动态载荷的基础焊料空洞识别的理论方法，采用热网络模型，基于RLS算法的实时识别设计，涵盖了基础焊料空隙对外壳温度，温度- 热阻转换和不同功率损耗比下的动态热阻参考校准实现。本申请相对于现有技术的优点是：利用壳温与环境温度的差值以及功率损耗拟合得到待测IGBT模块的动态可识别热阻，与健康IGBT模块在相同工况下的动态可识别热阻进行比较，从而实时识别待测IGBT模块的焊料空洞，分析空洞损伤程度，还可以分离出自热阻更新值和耦合热阻更新值，为进一步分析空洞损耗原因奠定了基础。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。