學者介紹

劉平，湖南大學電氣與信息工程學院副教授，博士生導師。主要研究方向為電動車輛高性能電力電子變換與電機驅(qū)動控制等。

2001~2013年重慶大學電氣工程專業(yè)本-碩-博學習，2012年香港理工大學助理研究員，2013~2014年赴加拿大Mcmaster大學Ali Emadi教授團隊從事博士后研究，2014年回國入職湖南大學電氣工程學院。2017年入選國家與湖南大學合作項目作以青年骨干教師公派赴丹麥奧爾堡大學Frede Blabbjerg教授團隊研修。擔任國家自然科學基金通訊評審專家、IEEE PES中國區(qū)電動汽車技術(shù)委員會委員“IEEE PES Electric Vehicle Satellite Committee-China” 、IEEE高級會員、中國電工技術(shù)學會高級會員等。

在國內(nèi)外重要學術(shù)期刊和會議上發(fā)表學術(shù)論文60余篇，論文被SCI/EI收錄近40篇，第1發(fā)明人申請發(fā)明專利30余項（已授權(quán)18項），獲得軟件著作權(quán)5項，實用新型1項，編著教材1本。主持國家自然科學基金項目、湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)與重大科技成果轉(zhuǎn)化項目、中國博士后基金面上項目等；參與國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目等10項。研究工作于2020年10月18日在《光明日報》第5版報道，研究成果獲2020年中國發(fā)明創(chuàng)業(yè)?創(chuàng)新獎一等獎、2020年湖南省科學技術(shù)進步一等獎、IEEE 優(yōu)秀論文獎等。

項目研究背景

碳化硅(SiC) MOSFET已逐步應(yīng)用于電動汽車、軌道交通等領(lǐng)域，其健康管理和可靠性評估越來越受到學術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。由電力電子系統(tǒng)可靠性調(diào)研報告可知，電力電子變流器中約有34%的失效是由功率器件引起，其中由熱應(yīng)力引起的器件失效占比更是高達55%。而SiC功率模塊具有高功率密度、封裝緊湊和耐高溫等特點，其運行結(jié)溫更高且結(jié)溫波動更大。

由于功率模塊的芯片都封裝在模塊內(nèi)部，難以直接觀測，實現(xiàn)SiC功率模塊結(jié)溫的在線檢測已成為功率器件應(yīng)用研究的熱點與難點。

現(xiàn)有大功率模塊基本都內(nèi)置了NTC熱敏電阻，但由于絕緣問題，NTC并不能不能直接準確反映器件結(jié)溫，通常用于過載過溫保護。目前僅有幾篇文獻研究基于內(nèi)置溫度傳感器實現(xiàn)結(jié)溫提取，但未考慮熱耦合效應(yīng)，且也未對散熱條件和環(huán)境溫度等邊界條件對熱網(wǎng)絡(luò)模型的影響進行分析。

論文所解決的問題及意義

由于SiC功率模塊運行溫度高且溫度波動大，對SiC功率模塊可靠性提出了更高的要求。器件結(jié)溫的精準在線提取測是其壽命預(yù)測、健康管理和可靠性評估的基礎(chǔ)。因此，器件結(jié)溫的精準在線提取對于提升SiC功率模塊運行可靠性和壽命具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點

該文建立考慮熱耦合效應(yīng)的內(nèi)置NTC傳感器至功率芯片的熱網(wǎng)絡(luò)模型，通過有限元仿真提取熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，結(jié)合NTC熱敏電阻和SiC MOSFET的實時損耗計算實現(xiàn)了對SiC MOSFET功率模塊內(nèi)部芯片結(jié)溫的在線計算。

該文的創(chuàng)新之處在于，提出一種以NTC傳感器溫度為參考點，同時考慮熱耦合響應(yīng)的新型熱網(wǎng)絡(luò)模型，簡化了包含參數(shù)易發(fā)生變化的底部物理層的傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)模型。對環(huán)境溫度、散熱器工作條件變化、導熱硅脂層老化等影響因素不敏感，具有穩(wěn)定性，適用于功率模塊結(jié)溫的非侵入性長時間在線觀測。

圖1 簡化后的等效熱模型

圖2 結(jié)溫熱觀測實驗平臺

圖3 150rpm，10Nm工況曲線對比

圖4 750rpm 15Nm工況的結(jié)溫對比

結(jié)論

論文提出了一種基于模塊內(nèi)置溫度傳感器的結(jié)溫在線提取方法。仿真與實驗結(jié)果的比較表明，該方法具有以下優(yōu)點：

1）非侵入性測量，損耗計算和結(jié)溫估計方法非常容易實現(xiàn)在線集成，能夠快速、準確、可靠地測量功率模塊的平均結(jié)溫和波動值；

2）新型熱網(wǎng)絡(luò)模型的熱阻抗參數(shù)對環(huán)境溫度、散熱器工作條件變化、導熱硅脂層老化等影響因素不敏感，具有穩(wěn)定性；非常適用于變換器中功率模塊的長時間結(jié)溫監(jiān)測，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)熱優(yōu)化控制。

引用本文

劉平, 李海鵬, 苗軼如, 陳常樂, 黃守道. 基于內(nèi)置溫度傳感器的碳化硅功率模塊結(jié)溫在線提取方法[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(12): 2522-2534. Liu Ping, Li Haipeng, Miao Yiru, Chen Changle, Huang Shoudao. Online Junction Temperature Extraction for SiC Module Based on Built-in Temperature Sensor. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2522-2534.