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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(yīng)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(lǐng)域。非平穩(wěn)工況即變流器處理的功率會在一定范圍內(nèi)隨機(jī)波動，這會導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫隨之波動，從而降低功率半導(dǎo)體器件的使用壽命。

據(jù)統(tǒng)計，功率半導(dǎo)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(jié)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(nèi)部熱管理和外部熱管理。內(nèi)部熱管理主要通過改變開關(guān)頻率、調(diào)節(jié)IGBT動態(tài)過程和改變系統(tǒng)調(diào)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(fù)載功率波動導(dǎo)致的結(jié)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(jié)溫，而針對平滑結(jié)溫變化的研究相對較少。

基于散熱器散熱功率調(diào)節(jié)的IGBT熱管理方法引入了較強的非線性成分，導(dǎo)致控制系統(tǒng)難以精確建模?；谟^測器的方法能較好地預(yù)測IGBT瞬時結(jié)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(shè)計帶來困難。有學(xué)者基于模糊控制設(shè)計了熱管理控制器，實現(xiàn)了抑制結(jié)溫波動的目標(biāo)，但和PID方法類似，其控制效果主要取決于設(shè)計人員的工程經(jīng)驗，缺乏理論支撐，對某些特定場合的設(shè)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(shè)計缺乏理論支撐的現(xiàn)狀，重慶大學(xué)的科研人員首次將基于微分幾何的精確線性化方法應(yīng)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(lǐng)域中缺乏精確數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)狀，使得熱管理控制系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用于各種需要進(jìn)行熱管理的變流器設(shè)備。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

科研人員得出主要研究結(jié)論如下：

1）建立了IGBT模塊和散熱器的熱網(wǎng)絡(luò)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(shè)計中，難以應(yīng)用常規(guī)的線性系統(tǒng)設(shè)計方法。

圖2 熱管理閉環(huán)控制方法的應(yīng)用

2）為了消除非線性成分對控制系統(tǒng)設(shè)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(xué)方法引入熱管理系統(tǒng)建模中，推導(dǎo)出非線性坐標(biāo)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(shè)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(shè)計方法應(yīng)用在Buck電路中。實驗證明了所提方法的可行性，負(fù)載電流在額定值的60%～100%范圍內(nèi)變化時，該方法有效地降低了由于負(fù)載變化導(dǎo)致的低頻結(jié)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(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)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。