[發(fā)明專利]一種基于熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率的碳化硅模塊熱參數(shù)測量方法

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• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111400884A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張軍;張犁;吳峰;成瑜
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G01N25/20;G06F111/04;G06F119/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王安琪

本發(fā)明公開了一種基于熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率的碳化硅模塊熱參數(shù)測量方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)碳化硅模塊和散熱系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，建立三階考爾型熱網(wǎng)絡(luò)模型；(2)通過改變一次散熱工況，建立兩組散熱條件下熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率和熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的約束方程組；(3)測量散熱條件改變前后，碳化硅模塊在降溫過程中的殼溫以及環(huán)境溫度；(4)借助擬合殼溫相對于環(huán)境溫度的曲線，獲得熱網(wǎng)絡(luò)的自然頻率；(5)最后結(jié)合兩組散熱條件下散熱器的熱阻以及建立的約束方程組，辨識出碳化硅模塊的熱阻和熱容值。本發(fā)明無需測量碳化硅模塊的結(jié)溫和功率損耗，降低了硬件的成本以及操作的復(fù)雜性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳化硅模塊的熱參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率的碳化硅模塊熱參數(shù)測量方法。

背景技術(shù)

碳化硅模塊在新能源發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，憑借其優(yōu)越的電熱特性，正逐漸替代IGBT模塊的市場份額。然而由于碳化硅模塊自身高速的開關(guān)動作、處理功率的波動性和間歇性以及外部環(huán)境的變化，碳化硅模塊長期承受不均衡的電熱應(yīng)力，在運行過程中易產(chǎn)生熱疲勞老化，降低其可靠性。相關(guān)的研究表明，碳化硅模塊的失效機理，結(jié)溫估算，狀態(tài)監(jiān)測，壽命評估以及熱管理設(shè)計均與熱參數(shù)關(guān)系密切，因此準(zhǔn)確測量出碳化硅模塊的熱阻和熱容值對于提高其可靠性具有重要意義。

目前來說，碳化硅模塊的熱參數(shù)測量方法主要有兩類：一類是基于IEC-60747-9-2007測量標(biāo)準(zhǔn)，還有一類是基于JESD51-14測量標(biāo)準(zhǔn)。第一類方法基本原理如下：首先對碳化硅模塊通以大電流，加熱至碳化硅模塊內(nèi)部溫度不再發(fā)生變化。然后測量碳化硅模塊在熱平衡狀態(tài)時的結(jié)溫T_j，殼溫T_c以及功率損耗P。最后結(jié)合公式(T_j-T_c)/P解析計算出碳化硅模塊的熱阻值。第二類方法基本原理如下：首先給碳化硅模塊施加恒定功率，同時碳化硅模塊的基板與散熱器上表面保持緊密接觸并充滿導(dǎo)熱硅脂。然后當(dāng)碳化硅模塊達到熱平衡狀態(tài)后，斷開加熱電源，測量碳化硅模塊的結(jié)溫降溫曲線并結(jié)合加熱時的功率損耗獲得熱阻抗曲線。再者，抹去碳化硅模塊基板與散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂，重復(fù)上述操作過程，測量這種情況下的熱阻抗曲線。最后，根據(jù)兩組熱阻抗曲線的分離點確定碳化硅模塊的熱阻和熱容值。

綜上可知，上述兩類方法雖然可以測量出碳化硅模塊的熱阻或熱容值，但是它們都需要測量結(jié)溫和功率損耗。由于碳化硅模塊的溫敏電參數(shù)和結(jié)溫并非呈現(xiàn)完全的線性關(guān)系，對其結(jié)溫實現(xiàn)非侵入性測量存在極大的難度。加之碳化硅模塊的開關(guān)頻率極高，如何精確測量出功率損耗也是一個尚未解決的難題。因此，需要發(fā)明一種無需測量結(jié)溫和功率損耗就可以測量出碳化硅模塊熱參數(shù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率的碳化硅模塊熱參數(shù)測量方法，降低了硬件的成本以及操作的復(fù)雜性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率的碳化硅模塊熱參數(shù)測量方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)碳化硅模塊和散熱系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，建立三階考爾型熱網(wǎng)絡(luò)模型；

(2)通過改變一次散熱工況，建立兩組散熱條件下熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率和熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的約束方程組；

(3)測量散熱條件改變前后，碳化硅模塊在降溫過程中的殼溫以及環(huán)境溫度；

(4)借助擬合殼溫相對于環(huán)境溫度的曲線，獲得熱網(wǎng)絡(luò)的自然頻率；

(5)最后結(jié)合兩組散熱條件下散熱器的熱阻以及建立的約束方程組，辨識出碳化硅模塊的熱阻和熱容值。

優(yōu)選的，步驟(1)中，將碳化硅模塊設(shè)置為熱網(wǎng)絡(luò)模型的第一階RC參數(shù)，將導(dǎo)熱硅脂設(shè)置為熱網(wǎng)絡(luò)模型的第二階RC參數(shù)，將散熱器設(shè)置為熱網(wǎng)絡(luò)模型的第三階RC參數(shù)。

優(yōu)選的，步驟(2)中，兩組散熱條件下熱網(wǎng)絡(luò)自然頻率和熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的約束方程組為：