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车用IGBT模块健康办理技能总述

发布时间:2022-08-06 10:44:46 来源:乐鱼体育直播视频   click: 5 次

  IGBT模块作为电力电子体系的中心器材, 其在工况运用中的牢靠性与安全性对现代车辆体系的健康安稳运转至关重要。本文面向车用IGBT模块健康办理技能,别离从失效机理、状况监测、毛病确诊、寿数猜测四个方面总述国内外的研讨进展,提出当时研讨中存在的关键问题和技能优缺点,在此根底上,对车用IGBT模块健康办理技能往后的展开趋势做出展望。

  绝缘栅双极型晶体管(IGBT)一起具有双极功率晶体管以及MOSFET功率晶体管的长处,是电力动力改换与传输的中心器材,俗称电力电子设备的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动轿车与新动力配备等范畴运用极广。以车辆体系为例,IGBT是轨道车辆牵引变流器和各种辅佐变流器的干流电力电子器材,在现代轨道交通沟通传动体系中发挥着关键效果;IGBT也成为电动轿车逆变器的首选设备,用以完成电动轿车加快时的电流输出,以及制动能量回馈时的电流输入。

  因为内部特色及外部工况效果,车载IGBT作业时不得不接受较大的功率动摇以及频频工况改动所带来的累积疲惫损害。据牢靠核算,约有38%的功率变流器体系毛病源于IGBT的失效。因而,本文以电动轿车和轨道车辆为运用目标,总结整理国内外车用大功率IGBT模块健康办理(PHM)技能的展开状况,依照失效机理、状况监测、毛病确诊、寿数猜测四部分进行总述,如图1所示。

  典型焊接式IGBT模块结构图如图2所示,从上至下依次是芯片层、芯片焊料层、DBC层、DBC焊料层、铜基板、以及散热器。在此结构根底上,车用IGBT模块一般并联多个芯片以增强模块负载电流的才能。在运转进程中,模块会阅历功率循环、温度循坏,模块内部接受电、热、机械应力的交互效果,产生疲惫损害,逐步老化失效,或在过应力效果下产生瞬态失效。

  现在研讨遍及按失效部位将IGBT模块失效分为芯片级失效和封装级失效,具体的分类如上图3所示,对应机理剖析总述于表1。

  概括国内外IGBT模块失效机理相关文献可知,键合线掉落是IGBT模块实践运用中最遍及的失效方式,也是大部分退化方式下模块的终究毛病方式,因而是失效机理研讨的热门。现有研讨大多针对键合线掉落和焊料层老化机理,关于芯片级失效机理研讨不行深化,特别是大功率IGBT模块多芯片失效耦合效果的研讨仍很少。IGBT模块失效前往往阅历了功能的退化。一般来说,芯片失效往往是瞬时失效,较难经过相应参数表征其退化的状况。但因为栅极氧化层受外界影响后会对芯片产生影响,乃至导致芯片失效,因而能够经过栅极漏电流和栅极阈值电压两种表征参数,经过表征IGBT栅极氧化层的退化状况,然后表征芯片的退化状况。

  状况监测是指运用各种剖析检测办法,直接或直接提取能够有用表征目标体系运转状况的参数,经过参数的改动追寻监测目标体系状况的改动。依照监测目标,本文将 IGBT模块状况监测手法划分为以下四种:结温监测,键合线掉落监测,焊料层老化监测以及芯片氧化层退化监测。依据参看文献将各种监测手法以及其特色总结如表 2所示。

  车载大功率IGBT首要用于车辆变流设备如整流器和逆变器等,每个设备由多个IGBT 组成。依据在车辆运转进程中的毛病类型能够将IGBT毛病分为骤变毛病和老化毛病,老化毛病因为进程缓慢,产生之后不会对体系形成太大的影响,因而该类毛病的处理办法首要是对老化特征因子进行提取,然后判别其健康状况,对寿数进行猜测,与该内容相关的技能在2.4节进行总述。而骤变毛病产生之后如若不能及时进行检测和确诊,并采纳被迫或自动容错操控,将会对整个体系形成严峻损害。

  一般来说,骤变毛病又分为短路毛病和开路毛病。IGBT模块雪崩、过热、过压击穿等都会导致短路毛病,短路毛病具有很强的破坏力,一般经过短路维护电路来防止短路毛病形成的巨大损害;而开路毛病首要是因为焊接掉落、电路失效、器材决裂或许短路毛病导致,开路毛病产生后短期内并不会对体系形成较大损害,能够继续作业一段时刻,可是在作业状况恶劣的状况下,将会形成灾难性二次毛病。因而能够经过对毛病特征的有用提取以及对毛病方位的定位和毛病方式的阻隔,有用地减轻毛病的损害,确保体系的杰出运转。

  近几年来有学者针对IGBT的毛病确诊技能进行了追寻调研,从依据电流和依据电压两个方向、定性和定量两个视点、从依据模型、依据数据以及依据信号处理三个视点以及比较监督和非监督类型算法打开了逆变器开关管的毛病确诊技能总述。

  在此根底上,本文从工程运用视点动身,概括最新几年的车载IGBT毛病确诊技能,将IGBT毛病确诊所需信号品种以及其优缺点总结成表格3如下:

  选用电流参数,合作信号处理办法,可对毛病特征进行提取。当IGBT产生开路毛病时,IGBT对应相的电流只要半个周期,且其他相的电流存在必定程度的畸变。以两电平逆变器T1毛病为例,当T1产生开路毛病前后,其仿线)毛病前后电流比照图

  当毛病产生时,电流信号所含的能量产生瞬间改动,因而也能够经过核算对应的熵值或许谱峭度办法,对改动的瞬态信号进行检测。文献[7]等针对CRH3型动车组整流器单管毛病和双管毛病,选用改善谱峭度办法并结合电流均值法对整流器宣布的固定脉冲响应完成毛病确诊,改善的谱峭度如公式2核算得到。

  经过不同毛病特征的提取,选用数据驱动的办法,经过对神经网络或是分类器进行练习,终究得到的模型能够对不同毛病进行分类,完成毛病有用确诊。文献[8]依据三相变流器输出的电流信号,提出一种依据集成的随机分类器来辨认三相PWM改换器中的IGBT开路毛病。除此之外,Kou Lei等人经过剖析三相脉冲整流器的开路毛病,提出了一种依据电流暂态概括特征的深度前反应神经网络的确诊和定位办法。

  除了电流残差作为毛病特征之外,因为产生开路毛病后,三相电流的波形会产生有规矩且显着的改动(对应相电流半个周期变为零),因而依据模型的电流轨道办法也用于确诊中。文献[11]提出一种依据电流形状因子残差的IGBT开路毛病确诊办法,经过界说自适应阈值进行确诊。别的,文献[12]对模型毛病下的相电流轨道进行剖析,以零毛病相电流为毛病特征,经过对毛病后的电流表达式进行积分,依据积分符号完成毛病的定位,运用此办法在不同操控战略下依托半什物仿真渠道进行了验证。

  在依据模型方面,文献[15]提出了一种依据电压差错的均匀模型确诊办法,该办法经过树立的模型别离得到线电压和相电压的估计值,别离与观测到的实在值核算残差,然后得到毛病特征值,能够对单管开路的IGBT和电流传感器毛病进行确诊。针关于电压、电流均可采样的三相逆变器,文献[41]提出将逆变器桥臂电压作为毛病特征,运用均匀模型法别离得到三线制和四线制的逆变器的确诊变量,结合差错自适应的阈值办法,得到鲁棒性强的单管、双管毛病确诊规矩。文献[16]经过树立换流器开关函数模型,运用三相电压残差作为毛病特征,完成了单桥臂IGBT开路和双桥臂IGBT开路毛病的在线确诊,并进行了试验验证了办法的抗干扰性,上下桥臂电压残差的阈值如公式3和4所示。

  除了独自运用电流和电压参数之外,还能够运用电流和电压组合参数对毛病进行确诊。例如,文献[17]运用高速列车和工业驱动中可获取的开关指令信号、接触网电流和直流链路电压作为体系参数,依据MLD模型输出与实践体系输出的体系参数接连比较成果得到残差,用于IGBT毛病确诊,十分适合于电力牵引运用。文献[18]依据级联H桥(CHB)多电平改换器开路IGBT检测技能,运用单个电流传感器和单个电压传感器来监测支路的电流和输出电压。将实测电压与希望电压进行比较,并依据差错的巨细和电流流向确认断路毛病的方位,但该办法需求加装电流传感器和电压传感器。

  概括上述国内外IGBT模块状毛病确诊相关文献可知,依据电流的确诊办法获取能够适用于大部分的车用IGBT毛病确诊,比较之下,依据电压和依据其他或组合参数的确诊办法能够确保有较好的精度;别的多种信号交融技能也会下降确诊的实时性。针对IGBT的毛病品种逐步增多、毛病确诊的办法趋于老练和多样化,而且开端考虑毛病的容错操控。可是到现在为止,针关于IGBT的毛病品种大都停留在单管开路和双管开路,现在有用的多元信号交融确诊、有用的毛病容错办法以及毛病的演化传递特性的研讨很少。

  除了将电流和电压作为毛病特征参数之外,也有学者测验将行为残差、磁链残差 等作为毛病特征参数用以确诊相应毛病。

  在IGBT模块寿数猜测技能研讨方面,一些文献[21-24]对寿数猜测的解析模型和物理模型进行较为具体的介绍和比较,这些文献关于数据驱动的寿数猜测方面罕见提及。而且在实践运转进程中,结温是反映IGBT作业状况的重要参数,因而对结温进行有用猜测,对IGBT剩下有用寿数的评价有着指导意义。因而本文从依据模型、依据数据的视点,从工程运用的视点对当时IGBT寿数猜测和结温猜测技能进行总述,并总结了各类办法的优缺点,如表4所示。

  依据模型的办法首要包含依据解析模型和依据物理模型。解析模型首要经过对老化试验得到的数据进行拟合,将失效次数与相应的变量(如电流、结温等)组合成为相应的寿数方程,该办法仅是数学方面的拟合,没有理论依据做支撑,因而可信度不高,可是办法简略。依据物理模型则是依据资料失效的机理,从应力应变的视点剖析,得到相应的寿数方程,因为树立在失效机理根底上,因而该类办法具有更高精度,但也伴随着杂乱的建模和核算难度。

  在轿车IGBT寿数猜测方面,文献[25]经过对IGBT模块在驱动工况下的作业状况、功率损耗和结温动摇的剖析以及考虑到轿车行进速度和路途条件对IGBT功率损耗和结温的影响,树立了一种适用于不同工况下的电动轿车IGBT模块Lesit寿数猜测模型,用于猜测给定驱动条件下IGBT模块的寿数。针对CRH5动车组IGBT寿数猜测问题,文献[26]选用半什物仿真的办法,经过模仿CRH5动车实在工况并结合热模型得到IGBT的结温文壳温别离与电流的联系,选用雨流计数法得到动摇数据,再运用Miner损害累积理论剖析,得到整流器侧IGBT累积损害度小于逆变器侧,加快工况比较制动和匀速工况更能使IGBT损害。

  在不同操控战略层面,文献[27]针对牵引变流器中的IGBT寿数猜测进行了研讨,在电流开环弱磁操控和单电流闭环弱磁操控下进行了仿真验证,并与实践工况相结合,比照不同战略下的IGBT寿数损耗状况,发现选用单电流闭环弱磁操控的战略能够使IGBT寿数延伸。4.1.2失效物理模型办法

  运用失效物理模型办法进行寿数猜测一般是以仿真研讨以及验证为主,文献[28]经过规划不同试验条件下的低结温功率循环试验和仿真,提出了一种依据功率循环试验的功率模块贴片焊料层PoF寿数猜测办法,发现损害的增长率与结温文结温均匀值成正比,可是该办法只考虑了焊料的疲惫问题。文献[29]提出一种选用电流改动率来猜测结温改动的办法,经过对IGBT关断机理和关断进程中的电流温度特性进行研讨和理论推导,并运用依据Saber仿真渠道树立的IGBT模型搭建了仿真电路进行验证,得到办法的有用性。

  数据驱动办法是经过剖析加快老化进程中各相关参数的改动,提取出老化特征参数,经过练习模型,将参数与寿数相对应,然后完成寿数的猜测。不少文献结合NASA-ARC加快寿数试验数据中的集电极发射极关断电压尖峰值参数打开相关的研讨。运用集电极-发射极关断电压尖峰值数据,文献[30]提出了进程神经网络的IGBT健康猜测办法,文献[31]提出长短期回忆(LSTM)网络的寿数猜测办法,也有文献依据GARCH 模型树立了IGBT 老化寿数模型,对IGBT剩下寿数进行猜测。在结温猜测方面,文献[32]提出了依据温敏参数法的结温猜测模型。文献[34-35]经过改善SVM算法,运用饱满压降、集电极电流猜测结温。

  概括上述国内外IGBT模块寿数猜测以及结温猜测相关文献可知,大多办法现在停留在仿真和验证方面。尽管越来越多的智能算法如深度学习等被测验运用到寿数猜测中,可是文献大多选用NASA的加快寿数试验揭露测试数据,存在数据源头单一的状况,且办法的实时性和有用性不能有“突破性的创新和前进”。整体而言,考虑多寿数因子、多工况下、大都据源兼容的寿数猜测办法应该是未来尽力的方向。

  本文面向车用IGBT模块健康办理,从失效机理、状况监测、毛病确诊以及寿数猜测四个方向下手,介绍了现阶段国内外IGBT智能运维技能的展开状况。其间失效机理是IGBT 健康办理的研讨根底,状况监测、毛病确诊和寿数猜测则是研讨的终究意图。针对IGBT健康办理的技能首要存在以下难点:首要,在失效机理方面,针对IGBT-二极管芯片耦合效果,特别大功率IGBT模块内多芯片失效耦合效果的研讨很少;其次,在状况监测方面,当时状况监测办法多从单一参量与退化状况的联系下手,且进行了必定的假定,在实践工程运用中,特别是大功率工况动摇的运用具有较大的局限性;第三,在毛病确诊层面上,现阶段研讨并未考虑毛病在更高层体系内的传递影响,除此之外,确诊的实时性和在线确诊的可行性在大都文献中并未表现;最终,在寿数猜测阶段,因为遭到监测条件的束缚,现阶段的猜测水平仍停留在依据模型的办法上,依据数据驱动的猜测办法所选取的数据也大多源于加快寿数试验,与实践工况相差甚大。5.2展望依据上述存在的问题,对未来的IGBT健康办理技能提出对应展望:首要,在失效机理研讨方面,主张进一步经过相关试验研讨芯片退化的有用表征参数。考虑到在实践作业中,IGBT的运转工况或许产生骤变,该状况或许不会导致其当即失效,可是依据失效机理的相关特征参数退化趋势将会有所改动,因而在失效的研讨根底上,应该添加反常工况的模仿;与此一起,状况监测技能的展开应紧密联系失效机理,展开芯片级状况监测技能,寻求非侵入、高精度、实时性好、实用性强的监测办法,同退化表征参数结合,寻求新的、更有用的寿数猜测办法;在毛病确诊层面上,未来研讨应充分考虑核算剖析的时效性和准确性,深化研讨面向实践运用的定性与定量、实测数据与常识模型混合的确诊办法,进一步展开IGBT模块复合毛病确诊办法研讨以及多IGBT模块毛病阻隔办法的研讨,特别是依据模型的毛病确诊,阈值的选取应当与体系的各个参数紧密结合,在有用的确诊算法的根底上,寻求毛病特征的在线辨识;最终,主张往后深化展开前期弱小突变退化的猜测办法研讨,IGBT毛病从呈现到失效存在渐进不确认性进程,时刻长度依据不同类型的毛病及动态鼓励有所不同,展开IGBT定量损害评价和寿数猜测,为展开依据猜测的可重构健康优化和自动容错操控做好充分准备。

  [7] 王英,王丹,陈小强,曹丽,高锋阳,王庚,王妮.依据改善谱峭度与电流均值的牵引整流器开路毛病确诊办法[J].电力自动化设备,2020,40(01):112-118.

  [12] 成庶,赵俊栋,李凯迪,于天剑,伍珣,张志龙.一种依据相电流轨道的逆变器开路毛病确诊办法[J].铁道科学与工程学报,2019,16(10):2584-2593.

  [14] 刘卓,王单纯,汤天浩,冯页帆,姚君琦,高迪驹.一种多电平逆变器毛病确诊与容错操控战略[J].山东大学学报(工学版),2017,47(05):229-237.

  [26] 曹琳,叶娜,李萍,李碧珊,陈宏,王彩琳.半什物仿真技能在轨道交通用IGBT寿数猜测中的运用[J].机车电传动,2019(05):59-62.



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