重庆大学科研人员在IGBT热管理技术研究方面取得新进展

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

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）的研究人员孙林、孙鹏菊、罗全明、王绪龙、周雒维，在2021年第8期《电工技术学报》上撰文，针对IGBT外部热管理系统中的非线性成分，建立系统的仿射非线性模型。通过引入状态反馈线性化方法对其进行线性化，弥补目前IGBT热管理控制系统设计中缺乏精确数学模型的缺陷。

研究人员基于线性二次型调节器设计了一种闭环控制方法，通过调节外部散热条件以平滑IGBT运行时由于负载波动导致的低频结温波动。基于Buck电路进行实验，实验证明，所提算法对负载电流在额定值的60%～100%范围内波动时，能够降低约60%的结温波动，提高IGBT约69倍的寿命。

电力电子系统主要用于功率处理和功率变换，其发展十分迅速，已被广泛应用于航天航空、工业自动化、交通运输和可再生能源发电等非平稳工况领域。非平稳工况即变流器处理的功率会在一定范围内随机波动，这会导致功率半导体器件的结温随之波动，从而降低功率半导体器件的使用寿命。

据统计，功率半导体器件是变流装置中失效率最高的部件之一。研究如何降低IGBT模块在非平稳工况下的结温波动，对提高变流器系统的可靠性具有重大意义。

针对IGBT模块的热管理方法可以分为内部热管理和外部热管理。内部热管理主要通过改变开关频率、调节IGBT动态过程和改变系统调制方式实现，其主要思路是改变IGBT模块的损耗以平滑由于负载功率波动导致的结温波动；外部热管理方法多用于补偿环境温度变化或控制平均结温，而针对平滑结温变化的研究相对较少。

基于散热器散热功率调节的IGBT热管理方法引入了较强的非线性成分，导致控制系统难以精确建模。基于观测器的方法能较好地预测IGBT瞬时结温，但是由于被控系统为非线性系统，观测器和控制器不一定具有分离特性，可能会给热管理控制器的设计带来困难。有学者基于模糊控制设计了热管理控制器，实现了抑制结温波动的目标，但和PID方法类似，其控制效果主要取决于设计人员的工程经验，缺乏理论支撑，对某些特定场合的设计难以推广使用。

针对现有IGBT模块外部热管理系统的闭环设计缺乏理论支撑的现状，重庆大学的科研人员首次将基于微分几何的精确线性化方法应用于IGBT外部热管理系统中，提出了一种IGBT外部热管理系统的建模方法，弥补了目前该研究领域中缺乏精确数学模型的现状，使得热管理控制系统设计具有了一定的理论支撑。该建模方法的泛用性较强，只需更改损耗计算模型，即可应用于各种需要进行热管理的变流器设备。

图1 控制系统框图

科研人员得出主要研究结论如下：

1）建立了IGBT模块和散热器的热网络模型并列写了状态空间方程，发现其中含有非线性成分，在热管理控制系统的设计中，难以应用常规的线性系统设计方法。

图2 热管理闭环控制方法的应用

2）为了消除非线性成分对控制系统设计带来的困难，科研人员首次将状态反馈线性化的数学方法引入热管理系统建模中，推导出非线性坐标变化矩阵和状态反馈控制律，将模型中的非线性成分消去，实现了原系统的线性化，并基于无源性理论，设计了热管理闭环控制策略。

图3 热管理实验平台

3）将所提建模和设计方法应用在Buck电路中。实验证明了所提方法的可行性，负载电流在额定值的60%～100%范围内变化时，该方法有效地降低了由于负载变化导致的低频结温波动，提高了IGBT约69倍的寿命。

以上研究成果发表在2021年第8期《电工技术学报》，论文标题为“基于状态反馈线性化的IGBT外部热管理”，作者为孙林、孙鹏菊、罗全明、王绪龙、周雒维。