電力電子系統(tǒng)主要用于功率處理和功率變換,其發(fā)展十分迅速,已被廣泛應用于航天航空、工業(yè)自動化、交通運輸和可再生能源發(fā)電等非平穩(wěn)工況領域。非平穩(wěn)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(jù)統(tǒng)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(wěn)工況下的結溫波動,對提高變流器系統(tǒng)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(jié)IGBT動態(tài)過程和改變系統(tǒng)調制方式實現(xiàn),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(huán)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(jié)的IGBT熱管理方法引入了較強的非線性成分,導致控制系統(tǒng)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(tǒng)為非線性系統(tǒng),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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)有IGBT模塊外部熱管理系統(tǒng)的閉環(huán)設計缺乏理論支撐的現(xiàn)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(tǒng)中,提出了一種IGBT外部熱管理系統(tǒng)的建模方法,彌補了目前該研究領域中缺乏精確數(shù)學模型的現(xiàn)狀,使得熱管理控制系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡模型并列寫了狀態(tài)空間方程,發(fā)現(xiàn)其中含有非線性成分,在熱管理控制系統(tǒng)的設計中,難以應用常規(guī)的線性系統(tǒng)設計方法。
圖2 熱管理閉環(huán)控制方法的應用
2)為了消除非線性成分對控制系統(tǒng)設計帶來的困難,科研人員首次將狀態(tài)反饋線性化的數(shù)學方法引入熱管理系統(tǒng)建模中,推導出非線性坐標變化矩陣和狀態(tài)反饋控制律,將模型中的非線性成分消去,實現(xiàn)了原系統(tǒng)的線性化,并基于無源性理論,設計了熱管理閉環(huán)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(fā)表在2021年第8期《電工技術學報》,論文標題為“基于狀態(tài)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。