一種功率igbt模塊的壽命預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源發(fā)電系統(tǒng)可靠性技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種核心變流裝置功 率IGBT模塊的壽命預(yù)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，以功率IGBT模塊為核心的變流裝置在新能源發(fā)電、電動汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng) 用。然而在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載的不穩(wěn)定性和劇烈波動性，加快了作為功率變流裝置核心器件 的IGBT的老化，系統(tǒng)可靠性降低。因此對功率IGBT模塊的壽命預(yù)測顯得十分重要。在影 響導(dǎo)致功率IGBT模塊壽命的因素中，結(jié)溫及結(jié)溫變化是導(dǎo)致功率IGBT模塊損壞最直接、最 重要的因素。但現(xiàn)有的基于結(jié)溫監(jiān)控預(yù)測IGBT壽命的方法，均需基于設(shè)定工況作出，只能 預(yù)測出設(shè)定工況下IGBT的壽命，而對于電動汽車、新能源發(fā)電等負(fù)載不穩(wěn)定、且變化不規(guī) 律的使用場合，采用現(xiàn)有預(yù)測方法的預(yù)測壽命與實(shí)際壽命存在較大誤差。無法對其進(jìn)行準(zhǔn) 確的實(shí)時剩余壽命預(yù)測。
[0003] 中國專利CN101087125B公開了一種具有壽命預(yù)測功能的電動汽車電機(jī)驅(qū)動系 統(tǒng)，該文件中指出可以通過對IGBT結(jié)溫及結(jié)溫變化實(shí)時預(yù)測其剩余壽命，公式及方法如 下：
[0004] LIGBT =N(Tj,Δη) ·tcycle (5)
[0005] 式中：Ν(η，Λη)是在IGBT結(jié)溫η和結(jié)溫變化Λη下循環(huán)功率曲線，是功 率循環(huán)時間，單位：s，這兩者是由IGBT制造商給出。
[0006] 該方法中計算剩余壽命需依靠IGBT制造商給出的功率循環(huán)曲線和功率循環(huán)時 間，但這兩個參數(shù)的同樣是基于某種設(shè)定工況作出的，當(dāng)實(shí)際工況與設(shè)定工況不符時，其預(yù) 測出的剩余壽命也并不準(zhǔn)確，因此，提供一種能夠適應(yīng)各種工況，基于結(jié)溫及結(jié)溫變化準(zhǔn)確 實(shí)時預(yù)測IGBT剩余壽命的方法，成為現(xiàn)有技術(shù)中亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠適應(yīng)各種工況，基于結(jié)溫實(shí)時檢測 準(zhǔn)確實(shí)時預(yù)測IGBT剩余壽命的方法。
[0008] 本發(fā)明提供了一種功率IGBT模塊的壽命預(yù)測方法，其特征在于該方法基于實(shí)時 溫度監(jiān)測，
[0009] 首先，由實(shí)時監(jiān)測的溫度獲得其離散有限序列，將此序列進(jìn)行線性擬合得到連續(xù) 函數(shù)，再經(jīng)傅里葉變換為正弦量，按電路解析方法，通過壽命損耗調(diào)節(jié)函數(shù)C，求解在壽命消 耗函數(shù)R(T)和Rc上壽命損耗，進(jìn)而預(yù)測出功率IGBT模塊的剩余壽命。
[0010] 所述的功率IGBT模塊的壽命預(yù)測方法，其特征在于IGBT模塊結(jié)溫以一定頻率和 幅值波動時，功率IGBT模塊的瞬時壽命損耗P依下（1.1)式計算
[0011]
i' )..1)
[0012] 所述式⑴中T(t)為將實(shí)時監(jiān)測得到結(jié)溫T的離散有限序列進(jìn)行線性擬合得到 表征Τ隨時間t變化的連續(xù)函數(shù)；ω為角頻率，ω= 2JTfT，fT為IGBT模塊結(jié)溫變化頻率，
[0013] 所述功率IGBT模塊累積消耗的壽命Θs根據(jù)式（2. 1)計算
〇、?.d:[0015] 當(dāng)IGBT以恒定結(jié)溫運(yùn)行時，P依下（1. 2)式計算，
[0014]
[0016]
[0017] 累積消耗壽命根據(jù)式（2. 2)計算
[0018]
[0019]ts為IGBT模塊實(shí)際運(yùn)行時間，tz是實(shí)際工況下的最終可運(yùn)行時間
[0020] 模塊剩余壽命Lr如式（3)tz是實(shí)際工況下的最終可運(yùn)行時間。
[0021]Lr =L-Θs(3)，L為功率IGBT總壽命，
[0022] 所述式（1)的參數(shù)中，R(T)、R。和C的獲取過程如下：
[0023] 需要選取相同型號的功率IGBT模塊3組，每組m個，m彡1，
[0024] 將3組模塊分別在按以下步驟操作。
[0025] 1)模塊組1運(yùn)行在恒定結(jié)溫?\下，得到ηι個采樣時間點(diǎn)，對應(yīng)的溫度序列和剩余 壽命值，每組得到m個總壽命值，將總壽命值求平均值得Q。
[0026] 2)讓其他兩組模塊圍繞結(jié)溫?\，分別在正弦波動下運(yùn)行，所述正弦波幅值固定，頻 率分別為f\、f2，分別得到對應(yīng)的溫度序列，m個壽命值，各自將總壽命值求平均值得L2,L3。
[0027]Q帶入（1.2)，L2，L3帶入式（1.2)聯(lián)立可得到R(T)、R。和C的離散值，改變?\，得 到不同溫度狀態(tài)下的R(T)、R。和C參數(shù)，將這3個參數(shù)矩陣進(jìn)行擬合即可得到R(T)、Rc及 C〇
[0028]其中R(T)、R。的單位為T2/t，C的單位為t/T2,T為溫度單位，t為時間單位，
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0030]本發(fā)明提供的功率IGBT模塊的壽命預(yù)測方法，基于實(shí)時結(jié)溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效推測 功率IGBT模塊的剩余壽命，與現(xiàn)有的結(jié)溫檢測方法只能在結(jié)溫或結(jié)溫變化幅值過高時向 控制系統(tǒng)發(fā)出警告，并不能判斷模塊是否真正損壞，更不能由此推測模塊的剩余壽命相比， 能夠基于基于實(shí)時結(jié)溫監(jiān)測的功率IGBT模塊的剩余壽命。本發(fā)明充分考慮到了結(jié)溫這一 影響功率IGBT模塊壽命的最重要因素，將模型構(gòu)建在功率IGBT模塊結(jié)溫的實(shí)時監(jiān)測之上， 綜合考慮到了恒定高結(jié)溫以及結(jié)溫頻率與幅值波動這兩種影響因素。且與CN101087125B中的壽命預(yù)測方法相比，本發(fā)明提供的壽命預(yù)測方法其關(guān)鍵參數(shù)R(T)、Rc、C建立在對現(xiàn)有 所檢測功率IGBT模塊通過簡單方法實(shí)測并推導(dǎo)得來，參數(shù)硬件實(shí)現(xiàn)簡單，經(jīng)濟(jì)成本低，因 此在復(fù)雜工況下對功率IGBT剩余壽命的進(jìn)行實(shí)施檢測時，其預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確度更高。
[0031] 本發(fā)明中各個參數(shù)的獲取計算簡單，過程明確，參數(shù)一旦獲取，即可直接由實(shí)時監(jiān) 測結(jié)溫數(shù)據(jù)預(yù)測功率IGBT模塊的壽命，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性。
【附圖說明】
[0032] 圖1為實(shí)施例1所示功率IGBT模塊壽命預(yù)測方法步驟1)操作等效電路模型圖
[0033] 圖2為實(shí)施例1所示功率IGBT模塊壽命預(yù)測方法步驟2)操作等效電路模型圖。 【具體實(shí)施方式】[0034] 實(shí)施例1功率IGBT模塊預(yù)測壽命方法推導(dǎo)[0035] 所述功率IGBT模塊的瞬時壽命損耗P依下（1. 1)式計算
[0036] U!
[0037] 所述式⑴中T(t)為將實(shí)時監(jiān)測得到結(jié)溫T的離散有限序列進(jìn)行線性擬合得到 表征T隨時間t變化的連續(xù)函數(shù)；ω為角頻率，ω= 2πfT，fT為IGBT模塊結(jié)溫變化頻率，
[0038] 所述功率IGBT模塊累積消耗的壽命Θs根據(jù)式（2. 1)計算
[0039]
[0040] 當(dāng)IGBT以恒定結(jié)溫運(yùn)行時，P依下（1. 2)式計算，
[0041] 、
m···
[0042] 累積消耗壽命根據(jù)式（2. 2)計算
[0043]
[0044]ts為IGBT模塊實(shí)際運(yùn)行時間，tz是實(shí)際工況下的最終可運(yùn)行時間
[0045] 模塊剩余壽命Lr如式（3)tz