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电动汽车驱动 功率模块 ★ 4.0

功率模块热网络模型的在线参数辨识方法

In Situ Parameter Identification Method for Thermal Network Models of Power Modules

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 功率模块
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 热网络模型 结温监测 功率模块 人工智能算法 老化监测
语言:

中文摘要

热网络模型为功率半导体器件的结温在线估计提供了一种间接且非侵入式的方法。目前,热网络模型参数主要从有限元模型中提取,或根据材料特性参数和几何尺寸计算得出。然而,随着功率模块老化,热网络模型的参数会发生变化,导致预设热网络模型估计的结温不准确。本文提出了一种用于功率模块长期结温监测的热网络模型,该模型考虑了冷却条件以及芯片之间的热耦合。通过测量运行工况中存在的待机状态下的结温冷却曲线,并利用人工智能算法的识别结果更新热网络模型的参数,实现了热网络模型与功率模块健康状态的同步,并对功率模块的老化程度和老化位置进行监测。本文介绍了所提方法的算法、实现过程和结果分析。通过实验验证证明了所提方法的有效性、准确性和便捷性。

English Abstract

Thermal network models provide an indirect and noninvasive method for online junction temperature estimation of power semiconductor devices. Currently, thermal network model parameters are mainly extracted from finite-element models or calculated from material property parameters and geometries. However, as the power module ages, the parameters of the thermal network model change, resulting in inaccurate junction temperatures estimated by the preset thermal network model. This article proposes a thermal network model for long-term junction temperature monitoring of power modules, taking into account cooling conditions and thermal coupling between chips. By measuring the junction temperature cooling curves in the standby state existing in the operating conditions and updating the parameters of the thermal network model using the identification results of the artificial intelligence algorithm, the synchronization between the thermal network model and the health state of the power module is achieved, and the aging degree and aging location of the power module are monitored. The algorithm, implementation, and result analysis of the proposed method are presented in this article. Experimental verification is given to prove the effectiveness, accuracy, and convenience of the proposed method.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项功率模块热网络模型原位参数辨识技术具有重要的战略价值。在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中,IGBT等功率半导体器件是决定系统可靠性和寿命的关键部件,其结温监测直接关系到设备的安全运行和预防性维护策略。

该技术的核心创新在于通过人工智能算法实时更新热网络模型参数,使模型能够随功率模块老化状态同步演进。这对阳光电源具有三方面价值:首先,在产品设计阶段,可以更精确地评估器件在实际工况下的热应力分布,优化散热设计和降额策略;其次,在运维服务层面,能够实现对全球部署的数十GW级装机容量的远程健康监测,通过结温异常提前预警器件失效,将被动维修转变为主动运维,显著降低电站停机损失;第三,积累的老化数据可反哺产品迭代,提升新一代产品的可靠性设计水平。

技术成熟度方面,该方法基于现有待机工况下的温度曲线测量,无需额外硬件投入,具备较好的工程化可行性。但实际应用仍面临挑战:多芯片热耦合建模的复杂性、不同冷却条件下算法的鲁棒性、以及与现有SCADA系统的集成等问题需要解决。

建议阳光电源将此技术纳入数字化研发体系,结合公司在大数据和云平台方面的优势,开发面向全生命周期的功率模块健康管理系统,这将成为差异化竞争的重要技术壁垒,特别是在储能系统等对长期可靠性要求极高的应用场景中。