- 頭條重慶大學科研人員在IGBT熱管理技術研究方面取得新進展2021-11-04 作者：孫林 孫鵬菊 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員孫林、孫鵬菊、羅全明、王緒龍、周雒維，在2021年第8期《電工技術學報》上撰文，針對IGBT外部熱管理系統中的非線性成分，建立系統的仿射非線性模型。通過引入狀態反饋線性化方法對其進行線性化，彌補目前IGBT熱管理控制系統設計中缺乏精確數學模型的缺陷。研究人員基于線性二次型調節器設計了一種閉環控制方法，通過調節外部散熱條件以平滑IGBT運行時由于負載波動導致的低頻結溫波動。基于Buck電路進行實驗，實驗證明，所提算法對負載電流在額定值的60%～100%范圍內波動時，能夠降低約60%的結溫波動，提高IGBT約69倍的壽命。
電力電子系統主要用于功率處理和功率變換，其發展十分迅速，已被廣泛應用于航天航空、工業自動化、交通運輸和可再生能源發電等非平穩工況領域。非平穩工況即變流器處理的功率會在一定范圍內隨機波動，這會導致功率半導體器件的結溫隨之波動，從而降低功率半導體器件的使用壽命。
據統計，功率半導體器件是變流裝置中失效率最高的部件之一。研究如何降低IGBT模塊在非平穩工況下的結溫波動，對提高變流器系統的可靠性具有重大意義。
針對IGBT模塊的熱管理方法可以分為內部熱管理和外部熱管理。內部熱管理主要通過改變開關頻率、調節IGBT動態過程和改變系統調制方式實現，其主要思路是改變IGBT模塊的損耗以平滑由于負載功率波動導致的結溫波動；外部熱管理方法多用于補償環境溫度變化或控制平均結溫，而針對平滑結溫變化的研究相對較少。
基于散熱器散熱功率調節的IGBT熱管理方法引入了較強的非線性成分，導致控制系統難以精確建模。基于觀測器的方法能較好地預測IGBT瞬時結溫，但是由于被控系統為非線性系統，觀測器和控制器不一定具有分離特性，可能會給熱管理控制器的設計帶來困難。有學者基于模糊控制設計了熱管理控制器，實現了抑制結溫波動的目標，但和PID方法類似，其控制效果主要取決于設計人員的工程經驗，缺乏理論支撐，對某些特定場合的設計難以推廣使用。
針對現有IGBT模塊外部熱管理系統的閉環設計缺乏理論支撐的現狀，重慶大學的科研人員首次將基于微分幾何的精確線性化方法應用于IGBT外部熱管理系統中，提出了一種IGBT外部熱管理系統的建模方法，彌補了目前該研究領域中缺乏精確數學模型的現狀，使得熱管理控制系統設計具有了一定的理論支撐。該建模方法的泛用性較強，只需更改損耗計算模型，即可應用于各種需要進行熱管理的變流器設備。
圖1 控制系統框圖
科研人員得出主要研究結論如下：
1）建立了IGBT模塊和散熱器的熱網絡模型并列寫了狀態空間方程，發現其中含有非線性成分，在熱管理控制系統的設計中，難以應用常規的線性系統設計方法。
圖2 熱管理閉環控制方法的應用
2）為了消除非線性成分對控制系統設計帶來的困難，科研人員首次將狀態反饋線性化的數學方法引入熱管理系統建模中，推導出非線性坐標變化矩陣和狀態反饋控制律，將模型中的非線性成分消去，實現了原系統的線性化，并基于無源性理論，設計了熱管理閉環控制策略。
圖3 熱管理實驗平臺
3）將所提建模和設計方法應用在Buck電路中。實驗證明了所提方法的可行性，負載電流在額定值的60%～100%范圍內變化時，該方法有效地降低了由于負載變化導致的低頻結溫波動，提高了IGBT約69倍的壽命。
以上研究成果發表在2021年第8期《電工技術學報》，論文標題為“基于狀態反饋線性化的IGBT外部熱管理”，作者為孫林、孫鵬菊、羅全明、王緒龍、周雒維。
