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准确计算风电变流器IGBT模块动态结温的方法
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、重庆科凯前卫风电设备有限责任公司的研究人员李辉、胡玉、王坤、全瑞坤、夏桂森，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文，针对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块内部并联芯片间动态不均流导致损耗分布存在差异，传统结温计算方法无法准确反映模块内部热分布的问题，提出考虑模块内部封装杂散电感影响的IGBT功率模块动态结温计算方法。研究结果表明，所提模型可准确反映模块内部各芯片结温均值及波动幅值的差异性。
风电变流器作为风能转换系统枢纽，是影响风电机组稳定可靠运行的重要环节。然而机组长时间、大范围频繁的随机出力，致使变流器持续承受剧烈的热应力冲击，成为故障率最高的部件之一。
为了满足风电机组大容量变流器功率模块的应用需求，目前普遍采用多芯片并联来提高功率等级，并联芯片间电流分布不均导致模块内部温度分布存在差异，长时间尺度下薄弱环节凸显，缩短模块整体使用寿命。因此，准确分析和掌握功率模块内部热应力分布，对改进风电变流器热管理控制策略、优化封装散热设计、提高可靠性具有重要意义。
目前国内外学者对单芯片和多芯片IGBT模块稳态结温评估及其热分布已有较多研究。
有学者从封装材料和结构对不同部位温度和热应力分布的影响进行研究。
有学者基于芯片独立传热的假设提出了考虑电热耦合的结温迭代计算方法。
有学者考虑芯片间热耦合的影响，表明计算模块内部结温时非边缘位置芯片应重点考虑。
有学者从芯片数量对模块内部温度分布影响进行了研究与优化。
然而上述文献都是基于稳态电流均匀分布假设，并未考虑杂散参数差异对动态电流分布的影响，基于模块平均损耗分布的计算结果无法准确反映内部温度分布，难以表征变流器功率模块内部的薄弱环节。IGBT开关频率较高，模块内部杂散电感对并联芯片间电流分布的影响不容忽视。
有学者通过电磁域仿真发现了六芯片并联的功率模块电流分布存在不均流的现象。有学者研究表明杂散电感是导致并联芯片不均流的主要原因，但未考虑其对模块内部热分布的影响。因此有必要进一步分析杂散电感对功率模块内部动态热分布的影响规律。
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、重庆科凯前卫风电设备有限责任公司的研究人员李辉、胡玉、王坤、全瑞坤、夏桂森，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“考虑杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算及热分布”），首先针对某一双馈风电变流器采用功率半桥模块物理结构，建立考虑模块内部封装杂散电感的等效电路模型，验证了功率模块内部电流分布不均的机理。
图1 双馈风电变流器及其IGBT模块内部结构
图9 考虑杂散电感的功率模块内部动态结温计算模型
其次，理论推导杂散电感分布参数与开通损耗的定量关系，建立考虑模块内部芯片间热耦合的热网络模型，基于电热耦合理论提出了考虑杂散参数影响的IGBT模块内部动态结温计算方法并通过实验验证。
图10 双脉冲实验测试平台
图11 风电变流器及其控制实验平台
图12 机侧变流器实验平台电气结构
最后，以某1.5MW双馈风电机组为例，分析了实际运行工况下变流器IGBT功率模块内部热分布规律，并与传统结温计算模型进行比较。结论如下：
1）由于二极管的续流作用，上桥臂开通时并联芯片均流效果较好；而下桥臂并联芯片受杂散电感影响较大，各芯片电流分布存在较大差异，其中芯片Q6电流变化率最大且承受最大的电流过冲。
2）基于电流变化率与损耗的关系，提出考虑封装杂散电感影响的功率模块内部动态结温计算方法，通过风电变流器实验平台测得壳温分布结果与计算结果一致，验证了所提计算方法的有效性。
3）双馈风电机组机侧变流器功率模块内部下桥臂各芯片间温度分布差异明显，芯片Q6结温均值、波动幅值均最大，相比其他芯片高出5℃左右，是模块内部的热薄弱环节；而传统稳态平均结温计算模型计算结果偏低。
4）并联各芯片间结温均值差异随着风速的增加逐渐增大；而结温波动幅值差异在同步风速点附近达到最大，差值约为10℃。
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