一种客车车下电源IGBT模块寿命预测方法及其系统

一种客车车下电源igbt模块寿命预测方法及其系统
技术领域
1.本发明涉及一种电力电子技术领域，具体为一种客车车下电源igbt模块寿命预测方法及其系统。


背景技术：

2.随着轨道交通的发展，轨道交通车辆的可靠性变得尤为重要，客车车下电源作为客车的核心部分，其使用寿命与客车的可靠性密切相关。对于客车车下电源来说其关键部分是igbt模块，因此，若能依据机车变流器任务曲线求得igbt模块的疲劳累积损伤，分析其老化指标，并依此对模块的剩余寿命进行合理的估计，则不仅能够实现模块疲劳失效前的及时更换，还能“分线”优化功率模块的检查与维修计划，并最终大幅降低因igbt模块疲劳失效而引发牵引变流器故障的概率。
3.现有的寿命估算方法均是对于一般工况下电源igbt模块进行寿命预测，没有针对客车车下电源igbt模块进行寿命预测。本方法考虑到青藏客车车下电源的工作特性，针对具体的应用场合对寿命进行预测，可以大大提高最终结果的有效性。


技术实现要素：

4.本发明目的在提供一种客车车下电源igbt模块寿命预测方法及其系统，以解决现有技术中存在的技术缺陷。
5.本发明首先公开了一种客车车下电源igbt模块寿命预测方法，参见图1，包括以下步骤：s1：获取客车不同工况下的负载电流。
6.首先根据车辆运营情况可知不同的工作模式，由不同工作模式计算可得在不同工况下的负载电流等具体数值。
7.根据不同工作模式对应的负载电流构建任务曲线。任务曲线是用于描述不同的元件、装置或系统在特定的运行阶段内所经历工作环境和电气参数的变化。客车由直供电机车从接触网取电后，经调频调压逆变器逆变、整流后，向其提供dc600v电源供给本车逆变器和充电机。逆变器负责把 dc600v 变换成 3
×
ac380v、50hz 交流电，主要为空调列车的空调机组、电开水炉等三相交流用电负载供电。
8.青藏客车途径青藏高原，其具有缺氧、低温、低压、紫外线强、风沙大等严酷的环境特点，对客车车下电源来说，要加大功率来应对严酷环境的特殊供电需求。青藏客车车下逆变电源运行功率变大，则其产生的热量也会变大，同时高原环境空气稀薄，不利于逆变电源的热量散失，则会导致器件的结温升高。
9.由于客车增加制氧系统带来的总用电负荷相比平原车增加近1倍，青藏客车供电由大功率的髙原发电车提供dc600v电源，通过贯通全列客车编组的相互独立的2路供电干线，分别接人每辆客车的青藏客车专用综合控制柜，由综合控制柜控制，向全车的用电设备和电气系统供电。髙原发电车由普通发电车的最大1000kw，增加到平原运行时的2000kw，高
原运行时可输出1450kw，分别由2套独立的机组向2路干线供电。客车干线和车端供电连接器的通流能力增加1倍。车下电源（逆变器）将dc600v 电源逆 变为 3ac
×
380v的 交流电源，向本车交流负载供电，容量由普通平原客车的2
×
35kv
·
a加大到2
×
50kv
·
a。
10.由于客车空调和制氧系统，实际运行时存在平原冬季、平原夏季、平原春秋季、高原冬季、高原夏季、高原春秋季的不同模式。
11.逆变器为旅客列车单元式空调机组、电开水器等用电负荷提供电源，其工作状态直接影响用电负载的使用。
12.额定输入电压：dc600v；逆变器额定功率：2*50kva 或 1*50kva；控制回路额定电压：dc110v；额定输出电压：三相交流电压有效值 ac380v。
13.dc600v客车的用电负载主要有三种，即感性负载、阻性负载和容性负载。如感性负载有空调机组，装置中有通风机、压缩机等设施；也有纯阻性负载如电加热器，电开水炉的加热管为电阻式的也是阻性负载，但电开水炉控制系统部分有电路板，保护电路系统中有电容，这部分为容性负载；还有容性负载如蓄电池、照明设施等，逆变器及充电机有很多电路板，其本身也是容性负载。逆变器输出功率计算如下表1所示。
14.表1
车型夏季平原满载夏季平原减载夏季高原满载夏季高原减载冬季平原满载冬季平原减载冬季高原满载冬季高原减载硬座30.2830.2830.2820.3926.8523.8526.858.85硬卧23.2323.2347.6814.6115.7510.2538.712.25
，。
15.可根据不同的实际运行模式，按照上述公式求出负载电流，再将负载电流代入功率损耗模型中计算得出igbt模块的功率损耗。
16.s2：建立igbt器件的损耗模型，以负载电流为输入得到客车不同工况下的损耗功率。
17.igbt 模块在其导通和开关过程中产生的功率损耗，受变流系统控制策略，模块工作电压、电流及开关频率等运行参数的影响。同时，功率损耗的波动将和环境温度共同作用，使器件经历不同幅值和频率的温度循环，并最终影响 igbt 模块内部材料及结构的疲劳老化进程。因此，建立 igbt 模块的功率损耗模型和热模型，把系统的任务曲线转化为各芯片的温度
‑
时间曲线是实现 igbt 模块寿命预测的基础。
18.igbt 模块的功率损耗主要包括 igbt 器件的功率损耗和反并联二极管的功率损耗。其中，igbt 的功率损耗又包括：通态损耗、开通损耗和关断损耗三部分；是故=++。与此同时，由于反并联二极管的开通损耗在模块总功率损耗中所占比重较小；因此，反并联二极管的功率损耗就仅包含器件的通态损耗和关断损耗两部分，即。
19.主电路为带感性负载的半桥逆变电路，系统采用双极性 spwm 控制方式，通过比较正弦调制信号与三角载波的值来获得期望的 pwm 波形。
20.为正弦调制信号的频率，为三角载波的频率。
21.调制深度，为正弦调制信号与三角载波的幅值之比。
22.因此，当 igbt 的占空比为时，其通态损耗计算公式为：于是，igbt 在特定结温条件下的正向压降。
23.igbt 的占空比为：对客车车下逆变电源igbt的损耗进行建模，igbt的通态损耗不仅受器件工作结温、负载电流和调制深度的影响，亦与器件的占空比和功率因数等运行参数密切相关。
24.通态损耗的计算公式为： ；；开关损耗计算公式为：=+。s3：获取温度传感器测量到的器件壳温，根据所述损耗功率和所述器件壳温，通过热模型计算得到所述igbt器件的结温，确定工况与结温的对应关系得到工况
‑
结温曲线。
25.igbt 模块运行时，各器件产生的功率损耗是以热量的形式在模块内流动，而后，
经散热器、外壳及主端子等传递给外部吸热介质。
26.其中，模块稳态运行时的结
‑
壳热阻是获得器件结温的关键参数。对igbt模块而言，其内部各层材料的热阻与材料的物理属性、介质厚度和散热面积等参数密切相关；且热阻定义为导热介质两端的温度差与其流过热流功率的比值，单位为℃/w或 k/w，即在将客车车下逆变电源的运行模式转化为igbt模块各功率器件的温度
‑
时间曲线的过程中，一般采用等效热路模型来近似描述模块的热特性。然而，等效热路模型又包括：连续网络热路模型（continued fraction circuit，或称为cauer model）和局部网络热路模型（partial fraction circuit，或称为foster model），本发明选用如图4所示的foster模型，其中电阻器和电容器并联部分构成为rc电路单元。
27.foster模型的参数是通过igbt模块的瞬态热阻抗曲线拟合而得，且模型的建立不需要考虑模块的材料特性。因此，该类模型的rc单元便不与igbt模块中的结构一一对应，网络节点也无实际的物理意义。但igbt模块的数据手册通常都会提供模块igbt与反并联二极管的瞬态热阻抗曲线，并列出二者的foster模型参数。图3（a）和图3（b）为igbt模块与反并联二极管的瞬态热阻抗曲线对比图，，，图中为占空比，为单个周期中脉冲时间。
28.s4：对所述igbt器件进行老化实验，使用疲劳累计损伤理论依据所述工况
‑
结温曲线对igbt器件进行剩余寿命时间计算。
29.根据s3建立de 器件的s
‑
n曲线（工况
‑
结温曲线），进而使用疲劳累计损伤理论进行计算剩余的寿命时间；同时在老化器件的过程中不断测量器件的热阻值，对数据拟合之后也可得到一个热阻随时间退化的模型，通过测量器件当前的热阻也可推测出剩余寿命时间；最后一步用热阻推测的剩余寿命对疲劳累计损伤理论算出的剩余寿命进行修正。
30.由于使用的样本中包含了实际运行客车替换下来的五级修产品，不单单是使用全新样本来进行老化实验，所以如果当预测结果出现较大偏差时，可以使用五级修产品热阻和循环次数的数据两者取均值来减小偏差从而进行修正。
31.本发明利用雨流计数法（rain
‑
flow counting algorithm）从模块的载荷历程中提取不同温度循环发生的频率，再将各循环数据代入 igbt 模块的寿命模型之中，以获得单一温度循环下模块的功率循环寿命。
32.雨流计数法是一种基于材料应力
‑
应变特性的双参数循环计数法，规定载荷循环中的幅值和均值为计数参变量以描述载荷历程，被广泛应用于材料及结构的疲劳损伤和寿命预测研究。该计数法通过统计 igbt 模块载荷历程中，各等差应力幅范围内封闭的应力
‑
应变迟滞回线个数，将变幅载荷作用下的应力
‑
应变过程转化为由若干单一应力引发的应变过程，而获得功率模块在特定任务曲线下的载荷
‑
频次统计结果。
33.如若不使用雨流计数法，也可直接统计一年中运营情况，统计在不同的工作模式下的时间长度，从而转化为载荷
‑
频次的关系。
34.老化器件一般通过功率循环实验实现。功率循环实验：静态参数测试、热阻测试、功率循环试验（分钟级、秒级）及相关寿命评估。根据可靠性特征分析情况，开展功率循环试验（分钟级、秒级）。根据试验情况，总结分析受试igbt模块的参数变化规律，重点关注模块键合引线脱落和焊料层疲劳失效，研究其失效模式与失效机理，对器件寿命进行预测，评估
样品寿命可靠性。
35.对各igbt模块所在设备及其经历的不同工况进行分析，模块承受的主要环境应力为热
‑
电
‑
机械应力，相应设计了不同温升功率循环加速寿命试验考核项目。
36.在功率功率循环前后对模块的静态参数进行测量，静态参数测试项为饱和压降、集电极漏电流、门极与发射极阈值电压和门极漏电流，测量温度为25℃。静态参数测试条件如表2所示。
37.表2测试参数测试条件失效原则（相对初始值）
ꢀꢀ
+5%
ꢀꢀ
+20%
ꢀꢀ
+20%
ꢀꢀ
+20%选定结温差（夏季温升），；选定结温差（冬季温升），；选定结温差（春秋季温升），。分别选用全新和线上替换下来的五级修器件在不同工况下不同的温升进行功率循环实验，得出全新器件和五级修器件数据，对比修正得到在不同温升下的剩余寿命，即曲线。
38.通过对施加在被测模块上的功率进行切换，可以得到结温随时间变化的曲线，进而转换为模块的结构函数：（1）使用小测试电流（）测得模块的温度系数（mv/℃），得到正向电压随结温变化的关系；（2）使用大电流（）对模块进行加热；（3）当模块达到热平衡状态时，切换成小电流进行测量；（4）切换到测试电流后，模块的正向电压被测量并记录下来，直至模块与环境温度达到新的热平衡状态。通过模块的温度系数，将正向电压数值换算为相应的结温，得到结温随时间变化的关系；（5）通过测得完整的瞬态热阻响应曲线，对该曲线做反卷积变换，将函数从时间域变换到空间域，得到模块的结构函数，进而分析模块的内部结构，建立热阻网络模型，使得模块的内部结构可视化。结构函数反映了从热源（原点）到环境（最后直线向上部分）的热流路径上的所有热容与热阻分布。根据结构函数上斜率（热容与热阻的比值）变化，可以区分出代表不同材料的段。委托样品的失效情况汇总如表3所示。
39.表3
对热阻测试结果进行指数拟合，拟合公式为，其中为特征参数的值，为老化时间。图2为bsm300ga120dn2对应热阻
‑
时间变化趋势图。
40.寿命解析模型反映功率循环里面失效周期数和循环频率、结温及其幅值变化等参数的关系，根据加速老化寿命试验所得数据统计形成。解析寿命模型主要包括coffin
‑
manson模型、norris
‑
landzberg模型和bayerer模型三类。
41.coffin
‑
manson寿命模型考虑了器件结温的平均值及结温幅值变化的影响，而后考虑到模块功率循环次数和结温之间的联系，结温波动幅值随着器件结温的升高而增大，而器件的有效循环次数则随着器件结温的升高而减少，表示器件的平均结温和结温波动两个因素同时也影响着器件的使用寿命，而后者结温波动占据关键地位，对器件寿命的影响更为显著。
[0042]042]
代表循环最大的结温，，为气体常数，参数，为实验测试数据的拟合得到的参数。
[0043]
疲劳累积损伤是指材料、元件或装置在循环载荷的作用下，随其承受循环应力次数的增加而在某点或某部位产生永久性损伤，直至错位、空洞或微裂纹的生成及扩展，并最终引发结构疲劳破坏的应力
‑
应变累积过程。其中，导致结构疲劳破坏的应力
‑
应变循环次数，即为材料的疲劳寿命。
[0044]
实际应用过程中，igbt模块大多经历由变幅重复载荷而引发的疲劳损伤的累积。因此，如何分析并处理模块内部多层结构在各载荷幅范围内的疲劳损伤，是实现模块寿命预测的重要环节。目前，较常使用的分析方法包括：线性疲劳累积损伤理论、双线性疲劳累积损伤理论、非线性疲劳累积损伤理论和概率疲劳累积损伤理论等。
[0045]
以palmgran
‑
miner’s rule为核心的线性疲劳累积损伤理论认为载荷循环的加载顺序并不会影响结构疲劳损伤的累积，且在各载荷范围内，应力循环产生的疲劳损伤相互独立，当累计的损伤达到某一限值时，结构就会发生疲劳破坏。miner’s rule定义材料或结构在恒幅载荷作用下的疲劳损伤为已经历的载荷循环次数与在该载荷循环下结构的疲劳寿命之比，即。
[0046]
于是，若已知变幅载荷循环在各应力幅范围内的载荷
‑
频次统计结果，便可求得材料或结构的总疲劳损伤，如下：
当时，认定该结构已发生疲劳破坏。
[0047]
选定结温差（夏季温升），，失效时循环次数为；选定结温差（冬季温升），，失效时循环次数为；选定结温差（春秋季温升），，失效时循环次数为。在一年中粗略估计a情况、b情况、c情况出现比例为1：1：2。
[0048]
计算igbt模块累积损伤度d1；当切换工况时，计算igbt模块累积损伤度d2，计算igbt模块累积损伤度d3，得到整个行驶过程的igbt模块总累积损伤度d＝d1+d2+ d3，根据igbt模块累积损伤度，预测igbt模块的寿命时间和寿命里程。
[0049]
依托于上述的方法，本发明还提供了一种客车车下电源igbt模块寿命预测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
[0050]
本发明具有以下有益效果：本发明方法考虑到青藏客车车下电源的工作特性，针对具体的应用场合对寿命进行预测，大大提高了最终结果的准确性。
[0051]
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0052]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明提供的一种客车车下电源igbt模块寿命预测方法流程图；图2为本发明所述的热阻
‑
时间变化趋势图；图3（a）和图3（b）为igbt模块与反并联二极管的瞬态热阻抗曲线对比图；图4为本发明所示的igbt 模块的 foster 模型图。
具体实施方式
[0053]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0054]
本实施例根据本发明提供一种针对客车车下电源igbt器件寿命预测的方法对igbt模块寿命进行预测，参考附图1，流程如下：根据客车在不同季节的工作模式计算相应的负载电流；根据测量得到的器件壳温和计算得到的器件损耗来进行结温估计；进行不同结温下的老化实验，通过预测模型对igbt进行寿命预测。
[0055]
本实施例针对的是青藏客车车下电源，由于其工作特性在不同季节具有很大差异，根据实际运行时的负载电流估计igbt器件的结温，进而完成器件的寿命预测，和现存技术仅考虑单一工况的寿命预测相比，其预测结果更具有效性和真实性。
[0056]
在本案例实施中，igbt选用的是英飞凌公司的bsm300ga120dn，样本不完全是全新状态，同时还有客车实际运行至五级修换下的，通过不同工况下的负载电流计算功率损耗，根据计算得到的数据来估算结温，从而进行寿命预测，其具体过程如下：首先根据客车车下电源的工作状态来计算相应的负载电流，已知不同工作状态下逆变器的输出功率，负载电流计算得。
[0057]
负载电流决定了igbt的损耗大小，对于导通损耗来说，有：。
[0058]
对于开关损耗来说，主要是客车车下电源igbt在单位时间内的开关频率，则总损耗是负载电流、开关频率和结温的函数。对于同一款客车车下电源来说，在特定的工作模式时，其开关频率、负载电流和结温固定，igbt的电压可以直接测量得到，电流通过相电流和开关状态计算得到，结温通过红外测温得到，然后进行损耗计算，可计算出不同工作模式下的总损耗功率。
[0059]
进一步的，根据器件数据手册内的瞬态热阻抗曲线，同时测得在实际运行中温度传感器igbt模块的壳温，估算结温：。
[0060]
其中为igbt的总损耗功率，通过以上方法可以得到客车车下电源在不同工作模式下的结温。使用全新和客车五级修后替换下来的igbt样本，平均分到每组，按不同工作模式下的对igbt进行功率循环实验，同时在功率循环前后对模块的静态参数和热阻值进行测量（测量温度25℃），静态参数包括饱和压降、集电极漏电流、门极与发射极阈值电压和门级漏电流，开始功率循环实验后每隔24小时对样品的热阻和阈值电压进行测量。
[0061]
通过功率循环实验可以得到igbt在不同载荷条件下的寿命，在客车运营时长一年中，统计不同工作模式的负载循环次数，再依据线性疲劳累计损伤的理论，其中失效判据，求得预测寿命。将上一步中每隔24小时测量得到的样品热阻和对应的循环次数进行曲线拟合，得到热阻
‑
时间的退化模型，通过测量热阻可对应得到剩余循环次数，通过与两者求平均值对最终寿命预测结果来进行修正。经多次实验，最终，通过本发明方法得出的预测寿命较传统方法得出的预测寿命准确度高。
[0062]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。