SiC MOSFET模块热网络参数辨识方法研究

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伴随着电力电子技术的发展,功率变流器的适用范围也越来越大,应用领域也逐渐增多。为了迎接新的时代,以SiC MOSFET为首的SiC宽禁带半导体器件正逐渐取代原来的Si器件,开始占领市场与科技前沿。然而,在提升效率的同时,如何保障SiC MOSFET器件可靠性的问题也开始引人关注。
  除SiC芯片自身的失效以外,传统的适用于Si器件的旧封装同样限制着SiC器件的性能发挥。SiC本身设计且希望能够应用于高温工作环境,结果受封装限制,导致更高的热应力作用而使得SiC MOSFET模块将面临着严重的可靠性问题。为此,本文提出了基于节点温度信息的热网络参数辨识方法,用于辨识SiC MOSFET模块的热网络参数。论文主要工作如下:
  首先,本文对SiC MOSFET模块的封装结构与热流路径进行了相应的分析。基于电热比拟原理,通过电学方法来做热学分析,并选择了一维Cauer热网络模型来表征SiC MOSFET模块的热流路径。而后建立Cauer热网络模型的状态空间表达式,分析并验证了节点温度对系统的可观测性。最后,通过复频域计算,推导出Cauer热网络模型参数与节点温度降温曲线的时间常数之间的关系。结果表明:可以利用节点温度的降温曲线来直接计算求得SiC MOSFET模块的Cauer热网络模型参数。
  其次,通过对SiC MOSFET模块中温度测量点与热网络模型节点进行对比分析,选择SiC MOSFET模块中反并联SiC SBD芯片与SiC MOSFET模块底部壳温作为温度观测节点。然后根据两个节点分别建立了适用的Cauer热网络模型,并通过增加不同散热工况下的降温曲线来求解方程,计算得到SiC MOSFET模块的Cauer热网络模型参数。最后还分析了散热系统老化的影响,并将其考虑进方法中。结果表明:基于SiC SBD芯片结温与SiC MOSFET模块壳温的降温曲线,可以实现对SiC MOSFET模块的Cauer热网络参数进行辨识。
  最后,为了验证上述的理论与方法,本文进行了实验分析。通过设计电路与实验,基于本文提出的SiC MOSFET模块Cauer热网络参数辨识方法,得到了实验结果。将实验结果与其他标准方法对比,并通过设计模拟老化试验以及结温估算对比。结果表明,本文提出的方法可以实现对SiC MOSFET模块的Cauer热网络参数的辨识。
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