非平稳工况变流器igbt模块结温平滑控制研究

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1、非平稳工况变流器IGBT模块结温平滑控制研究重庆大学博士学位论文学生姓名：吴军科指导教师：周雒维教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年五月StudyonJunctionTemperatureSmoothControlofIGBTModuleinPowerConverterUnderPowerFluctuationConditionAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByW

2、uJunkeSupervisedbyProf.ZhouLuoweiSpecialty：ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2015中文摘要摘要功率变流器作为大型电力电子系统的核心组成部分，对系统的安全可靠运行起着举足轻重的作用。尤其是应用在可再生能源发电中的变流器，经常运行在处理功率大范围随机波动的严酷环境，导致变流器的可靠性和预期使用寿命远不及传统电力设备。究其原因，功率模块内部各层封装材料的热膨胀系数不一致，加上变流器处

3、理功率长时间随机波动，导致模块内部结温剧烈变化，器件持续承受交变的热应力冲击，引起疲劳老化失效等问题，引发变流器系统故障。同时，随着技术的进步，从封装材料、设计与制造工艺角度提高变流器可靠性越来越受到成本和空间的限制，且无法避免故障发生。为此，论文选择从变流器运行层面研究提高可靠性的方法，重点研究了抑制和平滑模块内部热应力冲击的变流器热管理技术，以延缓器件疲劳老化速率，降低变流器发生故障的概率，提高系统可靠性。首先，研究了功率器件结温的影响因素及其估测方法。研究发现，除开关频率、器件电压电流幅值和相位，开关运行轨迹亦是一个可用于温度控制的参量。针对传统电热耦合模型中损

4、耗计算存在精度和计算速度的矛盾，推导了空间电压矢量调制策略下功率器件的工频周期平均损耗计算模型。基于该模型，以直驱风电变流器为例，分析了风速波动时机侧和网侧变流器功率模块的损耗分布和结温变化规律。功率模块结温估测是研究变流器热管理的基础。针对模块结温无法直接测量的难题，提出了采用人工神经网络进行大电流下结温估测的解决方案，研究表明该方法具有较好的估测精度。其次，考虑到现有变开关频率调温的研究大多以过温保护和调节平均温度为主，提出了平滑结温波动的变频调温控制方案，并对开关频率的调节范围进行了探讨。设计了一台小型逆变器样机对变频调温方案进行了实验验证。采用所提变频调温方案

5、实现了直驱风电变流器功率模块的结温平滑控制，借助米勒线性累积损伤理论和雨流计数法对热管理的效果进行了理论分析与验证。再者，针对变频调温方案存在调节范围受限的问题，在分析功率器件开关运行轨迹变化规律的基础上，论文首次提出了变开关轨迹实现损耗调节和结温平滑控制的思想及实现方案。通过在传统缓冲吸收电路基础上增加温控开关，提出了变开关运行轨迹调节结温的硬件实现方案。详细分析了所提温控电路的原理和工作过程，构建了温控电路用于结温平滑控制的占空比调节方案。研究表明，变开关轨迹调温的方法能有效平滑器件结温波动，减小模块内部热应力冲击。与变开关频率调温策略相比，该方法不影响变流器输出

6、波形。I重庆大学博士学位论文最后，针对单一结温控制方案调温效果有限的问题，提出了多参量联合调节实现结温平滑控制的变流器综合热管理策略。以FPGA为载体，通过嵌入式编程设计，搭建了一套全数字化控制的功率变流器综合热管理系统。该系统既能实现变流器的正常稳定运行，满足功率处理的要求，又能通过多参量联合调节平滑结温波动，减小器件内部热应力冲击。考虑到从IGBT模块底壳到周边环境之间的热阻可以动态调节，通过控制散热风扇转速调节散热器热阻实现了变流器外部热管理。采用红外测温仪对开封模块表面的温度进行测量，以验证结温平滑控制的效果。研究表明，外部热管理虽然响应速度不及内部热管理，但

7、能调节平均结温；同时综合热管理比单一调温方案平滑结温波动的效果更明显。总体而言，本文提出的变流器功率模块结温平滑控制策略具有如下优点：一是不影响系统的处理功率；二是平滑结温波动的效果明显，减缓了器件疲劳老化速率；三是不需要额外的储能系统。关键词：功率变流器，可靠性，IGBT模块，结温估测，热管理II英文摘要ABSTRACTAsakeycomponentofhigh-powerelectronicsystems,powerconverterplaysanimportantroleinsafeandreliableoperationoftheconver