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基于物理信息深度学习与稀疏数据的电力电子器件剩余寿命预测
Remaining Useful Life Prediction of Power Electronic Devices With Physics-Informed Deep Learning and Sparse Data
| 作者 | Le Gao · Chaoming Liu · Yiping Xiao · Chunhua Qi · Mingxue Huo |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 SiC器件 可靠性分析 深度学习 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 剩余使用寿命预测 稀疏数据 物理信息深度学习 预测精度 |
语言:
中文摘要
准确预测碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的剩余使用寿命(RUL)对于确保电力电子系统的可靠性至关重要,特别是在辐射环境下。然而,大多数现有的深度学习方法依赖于密集采样的退化数据,使其不适用于退化观测数据有限的稀疏数据条件。为解决这一局限性,我们提出了一种用于稀疏RUL预测的物理信息深度学习(PIDL)方法。该方法通过定制的物理信息损失函数,将总电离剂量引起的退化机制(具体为界面和氧化物陷阱电荷积累)融入基于Transformer的神经网络架构中。这种损失函数明确惩罚与导通状态电阻退化轨迹的偏差,从而将领域知识嵌入到模型训练过程中。随后,采用粒子群优化算法对模型超参数进行优化。我们使用四个评估指标(平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、决定系数($R^{2}$)和综合得分),将我们的方法与没有物理信息组件的基准Transformer模型进行对比。在90%数据稀疏的条件下,PIDL方法使MAE降低了27.90%,RMSE降低了26.51%,综合得分降低了22.90%,这表明其在预测准确性和可靠性方面有显著提升。这些结果凸显了PIDL方法在处理稀疏数据条件方面的潜力。
English Abstract
Accurate remaining useful life (RUL) prediction of silicon carbide mosfets is essential for ensuring the reliability of power electronic systems, particularly under irradiation environments. However, most existing deep learning approaches rely on densely sampled degradation data, making them unsuitable for sparse-data conditions where degradation observations are limited. To address this limitation, we propose a physics-informed deep learning (PIDL) method designed for sparse RUL prediction. The proposed method integrates total ionizing dose-induced degradation mechanisms, specifically interface and oxide trapped charge accumulation, into a Transformer-based neural architecture via a customized physics-informed loss function. This loss explicitly penalizes deviations from on-state resistance degradation trajectories, thereby embedding domain knowledge into the model training process. Subsequently, particle swarm optimization is employed to optimize the model hyperparameters. We benchmark our method against a baseline Transformer model without physics-informed components, using four evaluation metrics: mean absolute error (MAE), root-mean-square error (RMSE), coefficient of determination ( R^2 ), and a composite score. Under 90% data sparsity conditions, the PIDL approach achieves 27.90% reduction in MAE, 26.51% in RMSE, and 22.90% in score, demonstrating substantial gains in predictive accuracy and reliability. These results highlight the potential of PIDL in addressing sparse-data conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对碳化硅MOSFET剩余寿命预测的物理信息深度学习技术具有重要的战略价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心功率器件,碳化硅MOSFET的可靠性直接关系到我们产品在全生命周期内的性能表现和运维成本。
该技术的核心优势在于解决了稀疏数据条件下的寿命预测难题。在实际应用场景中,尤其是大型光伏电站和储能电站的分布式部署环境下,难以对每个功率模块进行密集的退化数据采集。论文提出的方法通过将总电离剂量诱导的退化机理(界面和氧化物陷阱电荷积累)融入Transformer神经网络架构,在90%数据稀疏度条件下仍能实现显著的预测精度提升(MAE降低27.90%),这为我们构建低成本、高可靠的预测性维护系统提供了可行路径。
对于阳光电源而言,该技术可直接应用于智能运维平台的升级。通过在逆变器和储能变流器中集成稀疏传感与物理信息模型,我们能够在不增加硬件成本的前提下,实现功率器件健康状态的精准预测,从被动维修转向主动预防,降低系统停机风险,提升电站整体收益率。
然而,技术落地仍面临挑战:首先需要建立针对不同应用场景(如高温、高湿、高海拔)的退化机理数据库;其次,算法需要适配边缘计算平台以实现实时推理;最后,还需验证该方法在其他功率器件(如IGBT)上的泛化能力。建议与高校合作开展联合攻关,加速技术向产品化转化,强化我们在智能化新能源装备领域的竞争优势。