(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210559140.7 (22)申请日 2022.05.22 (71)申请人 北京化工大 学 地址 100029 北京市朝阳区北三环东路15 号 (72)发明人 王维民　高黎明　户东方　 (74)专利代理 机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 1 1203 专利代理师 王兆波 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监 测方法 (57)摘要 本发明公开了一种使用数字孪生方法的 IGBT模块健康监测方法， 通过对 IGBT模块进行温 度监测和应力监测， 将温度测点数据和应力测点 数据传递给IGBT数字孪生模型； 通过温度场重构 算法和动应力场重构算法， 进行IGBT模型的温度 场和动应力场的重构； 根据温度场和动应力场在 时间历程上的数据， 获得IGBT模块的应力载荷谱 计算； 最终计算获得I GBT考虑热应力作用效果的 疲劳寿命。 本方法可以实时获得IGBT模块的温度 场和动应力场， 考虑热应力作用效果， 实时地计 算获得更为 准确的IGBT 模块的剩余 疲劳寿命。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115358104 A 2022.11.18 CN 115358104 A 1.一种使用数字 孪生方法的IGBT模块 健康监测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)通过温度决策点计算方法和应力决策点计算方法计算确定温度决策点和应力决策 点位置； (2)对于运行中的IGBT模块， 对温度决策点和应力决策点位置进行温度监测和应力监 测， 获得测点的温度监测数据和应力监测数据； (3)将测点的温度监测数据和应力监测数据传递给IGBT模块数字孪生模型， 计算温度 场和动应力场， 并获得IGBT模块的应力载荷谱； (4)由步骤(3)获得的应力载荷谱计算获得IGBT部件的剩余 疲劳寿命。 2.根据权利要求1所述的一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 其特征在 于： 步骤(1)中温度决策点计算方法和应力决策点计算方法， 温度决策点应选择温度最大值 点附近和散热的边界上， 温度最大值点由经验或者有限元计算确定； 应力决策点选择在 IGBT不同振动模态具有的最大模态应力点上或者 其附近， 由有限元计算模态应力确定 。 3.根据权利要求1所述的一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 其特征在 于： 步骤(3)中计算温度场， 通过温度场边界测点的温度监测数据， 作为近似边界条件带入 数字孪生模型， 计算获得温度场。 4.根据权利要求1所述的一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 其特征在 于： 步骤(3)中计算动应力场， 监测获得IGBT模块振动的特征频率， 识别 出模块振动的模态 阶次； 确定阶次后， 根据下式模态应力的比例关系计算应力场， 即任意一点应力值表示为 其中： 为测点p在监测中的应力值， 为任意一点i在测试中实际的应力值， 为测点p在此模态阶次下有限元计算的应力值， 为点i在此模态阶次下有限元计算的 应力值。 5.根据权利要求4所述的一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 其特征在 于： 步骤(3)中计算获得应力载荷谱， 通过计算全程的温度边界条件， 计算模块在长时间尺 度内的温度场分布， 将温度应力作为预应力， 计算权利要求4中所述的模态应力 并进 而获得应力载荷谱， 在应力载荷谱中， 任意一点在某时刻的应力值等于稳态应力与动应力 之和。 6.根据权利要求1所述的一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 其特征在 于， 对IGBT模块进行温度监测的传感器为红外温度传感器， 对IGBT模块进行动应力监测的 传感器为应 变计。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115358104 A 2一种使用数字孪生方 法的IGBT模块健康监测方 法 技术领域 [0001]本发明涉及IGBT模块的寿命预测的计算方法， 尤其是涉及一种融合监测手段和有 限元方法计算获得IGBT模块剩余 疲劳寿命的方法。 背景技术 [0002]绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated  gate bipolar transist or)广泛应用于新 能源发电、 电动汽 车和轨道交通等高可靠性领域。 IGB T模块功率波动性、 间歇工作状态和环 境的变化， 以及IGBT模块各部件层材料不同， 导致IGB T模块产生电热应力。 最 终导致模块部 件疲劳破坏， IGBT模块失效。 同时由于IGBT模块安装于电动汽车、 动车等运动载体上， 模块 还需要承受振动载荷。 在 振动载荷作用下， 部件易发生高周疲劳失效， 导致模块性能退化 失 效。 因此针对IGBT 进行基于温度测量及振动应力测量的寿命预测是极为重要的。 [0003]数字孪生方法是融合部件信号测试与 模型更新的一种方法， 用于对部件进行实时 的状态孪生与故障状态诊断。 通过将监测到的信号输入有限元模型或者其他可以表征部件 状态的模 型， 计算得出部件的实时整体状态， 甚至可以预测部件未来时间段内的状态变化。 数字孪生方法是一种极具潜力的装备系统健康监测技 术。 [0004]目前针对IGBT模块疲劳失效的实时寿命预测技术相对较少， 而IGBT模块的疲劳寿 命预测是保障IGBT模块安全的关键性技术， 因此开发一种基于IGBT  模块温度监测及动应 力监测剩余寿命预测方法是极为重要的。 [0005]对比文件： [0006][1]江南,陈民铀,徐盛友,等.计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析[J].  浙 江大学学报： 工学 版,2017,51(4):9. [0007][2]幸杰,韩永典,徐连勇,等.基于连续损伤力学的高低周复合疲劳损伤[J].  焊 接学报,2017,38(7):5. [0008][3]王传坤,何怡刚,王晨苑,等.计及疲劳损伤的多时间尺度风电变流器  IGBT可 靠性评估[J].电力自动化设备,2021,41(3):6. [0009][4]张旭.基于数字 孪生的IGBT结温监测方法研究[ D].哈尔滨工业大 学,2021 发明内容 [0010]本发明提供一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 对IGBT模块进行温 度监测及动应力监测， 并计算预测IGBT模块的剩余寿命。 [0011]本发明提出一种使用数字孪生方法的IGBT模块健康监测方法， 主要目的在于通过 监测IGBT模块运行过程中的测量点 温度和测量点动应力， 获得模块整体的温度场分布及应 力场分布， 并最终 获得模块的预测寿命。 [0012]本方法主要解决如何由测量点温度和测量点动应力获得模块温度场和应力场。 基 于数字孪生模型通过少数点的测量可以获得整个模块的温度场、 应力场的分布。 这也是本 发明的一大优点。 该方法主要应用于IGBT寿命预测。 本发明方法不包括由应力载荷谱计算说　明　书 1/4 页 3 CN 115358104 A 3