學(xué)者介紹

劉平，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)車輛高性能電力電子變換與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等。

2001~2013年重慶大學(xué)電氣工程專業(yè)本-碩-博學(xué)習(xí)，2012年香港理工大學(xué)助理研究員，2013~2014年赴加拿大Mcmaster大學(xué)Ali Emadi教授團(tuán)隊(duì)從事博士后研究，2014年回國入職湖南大學(xué)電氣工程學(xué)院。2017年入選國家與湖南大學(xué)合作項(xiàng)目作以青年骨干教師公派赴丹麥奧爾堡大學(xué)Frede Blabbjerg教授團(tuán)隊(duì)研修。擔(dān)任國家自然科學(xué)基金通訊評(píng)審專家、IEEE PES中國區(qū)電動(dòng)汽車技術(shù)委員會(huì)委員“IEEE PES Electric Vehicle Satellite Committee-China” 、IEEE高級(jí)會(huì)員、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員等。

在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，論文被SCI/EI收錄近40篇，第1發(fā)明人申請(qǐng)發(fā)明專利30余項(xiàng)（已授權(quán)18項(xiàng)），獲得軟件著作權(quán)5項(xiàng)，實(shí)用新型1項(xiàng)，編著教材1本。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)與重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、中國博士后基金面上項(xiàng)目等；參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等10項(xiàng)。研究工作于2020年10月18日在《光明日?qǐng)?bào)》第5版報(bào)道，研究成果獲2020年中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)?創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2020年湖南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、IEEE 優(yōu)秀論文獎(jiǎng)等。

項(xiàng)目研究背景

碳化硅(SiC) MOSFET已逐步應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通等領(lǐng)域，其健康管理和可靠性評(píng)估越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。由電力電子系統(tǒng)可靠性調(diào)研報(bào)告可知，電力電子變流器中約有34%的失效是由功率器件引起，其中由熱應(yīng)力引起的器件失效占比更是高達(dá)55%。而SiC功率模塊具有高功率密度、封裝緊湊和耐高溫等特點(diǎn)，其運(yùn)行結(jié)溫更高且結(jié)溫波動(dòng)更大。

由于功率模塊的芯片都封裝在模塊內(nèi)部，難以直接觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)SiC功率模塊結(jié)溫的在線檢測(cè)已成為功率器件應(yīng)用研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

現(xiàn)有大功率模塊基本都內(nèi)置了NTC熱敏電阻，但由于絕緣問題，NTC并不能不能直接準(zhǔn)確反映器件結(jié)溫，通常用于過載過溫保護(hù)。目前僅有幾篇文獻(xiàn)研究基于內(nèi)置溫度傳感器實(shí)現(xiàn)結(jié)溫提取，但未考慮熱耦合效應(yīng)，且也未對(duì)散熱條件和環(huán)境溫度等邊界條件對(duì)熱網(wǎng)絡(luò)模型的影響進(jìn)行分析。

論文所解決的問題及意義

由于SiC功率模塊運(yùn)行溫度高且溫度波動(dòng)大，對(duì)SiC功率模塊可靠性提出了更高的要求。器件結(jié)溫的精準(zhǔn)在線提取測(cè)是其壽命預(yù)測(cè)、健康管理和可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)。因此，器件結(jié)溫的精準(zhǔn)在線提取對(duì)于提升SiC功率模塊運(yùn)行可靠性和壽命具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

該文建立考慮熱耦合效應(yīng)的內(nèi)置NTC傳感器至功率芯片的熱網(wǎng)絡(luò)模型，通過有限元仿真提取熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，結(jié)合NTC熱敏電阻和SiC MOSFET的實(shí)時(shí)損耗計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)SiC MOSFET功率模塊內(nèi)部芯片結(jié)溫的在線計(jì)算。

該文的創(chuàng)新之處在于，提出一種以NTC傳感器溫度為參考點(diǎn)，同時(shí)考慮熱耦合響應(yīng)的新型熱網(wǎng)絡(luò)模型，簡化了包含參數(shù)易發(fā)生變化的底部物理層的傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)環(huán)境溫度、散熱器工作條件變化、導(dǎo)熱硅脂層老化等影響因素不敏感，具有穩(wěn)定性，適用于功率模塊結(jié)溫的非侵入性長時(shí)間在線觀測(cè)。

圖1 簡化后的等效熱模型

圖2 結(jié)溫?zé)嵊^測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖3 150rpm，10Nm工況曲線對(duì)比

圖4 750rpm 15Nm工況的結(jié)溫對(duì)比

結(jié)論

論文提出了一種基于模塊內(nèi)置溫度傳感器的結(jié)溫在線提取方法。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較表明，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）非侵入性測(cè)量，損耗計(jì)算和結(jié)溫估計(jì)方法非常容易實(shí)現(xiàn)在線集成，能夠快速、準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量功率模塊的平均結(jié)溫和波動(dòng)值；

2）新型熱網(wǎng)絡(luò)模型的熱阻抗參數(shù)對(duì)環(huán)境溫度、散熱器工作條件變化、導(dǎo)熱硅脂層老化等影響因素不敏感，具有穩(wěn)定性；非常適用于變換器中功率模塊的長時(shí)間結(jié)溫監(jiān)測(cè)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)熱優(yōu)化控制。

引用本文

劉平, 李海鵬, 苗軼如, 陳常樂, 黃守道. 基于內(nèi)置溫度傳感器的碳化硅功率模塊結(jié)溫在線提取方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2522-2534. Liu Ping, Li Haipeng, Miao Yiru, Chen Changle, Huang Shoudao. Online Junction Temperature Extraction for SiC Module Based on Built-in Temperature Sensor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2522-2534.