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用于电动汽车应用的三电平NPC中IGBT功率模块非侵入式状态监测
预故障
| 作者 | R. Manikandan · R. Raja Singh |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | IGBT 功率模块 三电平 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | IGBT模块 基板焊料疲劳 结温 电热模型 状态监测 |
语言:
中文摘要
功率半导体模块通常包含多个芯片,以满足电动汽车和工业应用对电流和电压额定值的要求。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块底板上的焊点疲劳是功率转换器中的一种重要失效模式。这些失效在涉及常规驾驶、再生制动和加速的电动汽车应用中尤为突出。本研究引入了一种新方法,通过关注外壳的温度差异来评估IGBT模块在底板焊点疲劳过程中的健康状况。本文提出了一种精确的电热模型,可有效确定IGBT模块的结温。所设计的电热模型通过考虑器件级和模块级热参数的影响,精确估算了结温。在ANSYS和PLECS环境中,为IGBT模块及相关散热器创建了耦合三维热网络模型。通过该电热模型,实验结果验证了所提方法在确定半导体功率模块劣化程度方面的有效性。所提出的状态监测方法还集成了物联网技术,以监测IGBT模块和散热器在不同运行和测试条件下的实时温度。
English Abstract
Power semiconductor modules often comprise multiple chips to attain appropriate current and voltage ratings for electric vehicles and industrial applications. The solder fatigue on the base plate of the IGBT module represents a significant failure mode in power converters. These failures are particularly pertinent in EV applications that involve regular driving, regenerative braking, and acceleration. A novel approach is introduced in this study to assess the health condition of the IGBT module during base-plate solder fatigue, focusing on temperature differences across the casing. This article proposes an accurate electro-thermal model that effectively determines the junction temperature of the IGBT module. The designed electro-thermal model estimates the junction temperature precisely by considering the effects of device-level and module-level thermal parameters. A coupled three-dimensional (3D) thermal network model is created for IGBT modules and associated heatsinks in Ansys and PLECS environments. Using the electro-thermal model, the experimental results validate the efficacy of the proposed method in determining the deterioration level of the semiconductor power module. The proposed condition monitoring also integrates IoT to monitor the real-time temperature of IGBT modules and heat sinks under different operating and test conditions.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对三电平NPC拓扑中IGBT模块的非侵入式状态监测技术具有重要的应用价值。尽管该研究聚焦于电动汽车领域,但其核心技术完全适用于我们的光伏逆变器和储能变流器产品线。
IGBT模块的底板焊层疲劳是功率变换器的主要失效模式,这一问题在光伏和储能系统中同样突出。光伏逆变器面临昼夜温度循环、功率波动和环境温差的考验,储能系统则承受频繁的充放电切换,这些工况与论文中提到的电动汽车加减速场景在热应力特征上高度相似。该研究提出的电热耦合模型通过监测壳体温度差异来评估焊层健康状态,为我们提供了一种无需停机、不影响系统运行的预测性维护方案。
技术亮点在于其将器件级和模块级热参数整合进Ansys和PLECS联合仿真环境,实现了结温的精确估算,并结合物联网技术进行实时监测。这与阳光电源当前推进的数字化运维战略高度契合。我们可以将此技术集成到iSolarCloud智慧能源管理平台,实现大规模电站的IGBT健康状态远程诊断,从被动维修转向主动预防。
技术挑战主要在于模型的泛化能力和传感器布局优化。不同功率等级、不同封装形式的IGBT模块需要建立差异化的热网络模型,且光伏电站复杂的户外环境对温度传感器的可靠性提出更高要求。但若能成功转化,这将显著提升我们产品的全生命周期可靠性,降低运维成本,强化在高端工商业储能和大型地面电站市场的竞争优势。