一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，所述方法包括：在复杂对流环境下测量前K个时刻的环境温度以及功率器件的输出电流与壳温，并结合壳与环境之间的热模型获得历史环境热阻序列；利用马尔科夫链对历史环境热阻序列进行随机模拟，生成未来M个时刻的环境热阻序列；根据热模型计算不同电流值下未来M个时刻的功率器件壳温序列，重复环境热阻序列随机模拟和功率器件壳温序列计算N次，得到壳温超温点的个数，计算超温概率，并根据概率要求选择合适的电流约束；对该对流环境下的功率器件实施带有电流约束的主动热控制；从而解决了现有功率器件在复杂对流环境中由于环境热阻波动而导致的主动热控制不可靠问题，同时其输出电流较为平滑。

An active thermal control method for power devices in complex convection environment

【技术实现步骤摘要】
一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法
本专利技术属于功率器件热控制领域，具体涉及一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的不断发展，IGBT和MOSFET等功率器件被广泛应用于可再生能源、电机驱动等重要领域中。然而，由于其功率密度等级要求的不断提高，容易发生因高温引起的各类失效故障。因此需要实时获得功率器件的温度，对其进行热控制及过温保护，从而提高器件工作的热安全性。当功率器件持续高电流工作时，其温度较高易引起失效故障；而如果按规定的额定电流工作时，又过于保守，难以充分利用功率器件的输出能力。为了避免这类问题的发生，通常可以对功率器件采用主动热控制。功率器件的主动热控制，即把测量到的器件温度作为反馈量，结合控制策略对器件的运行状态进行调节，通过主动调节功率器件损耗可以提高功率器件的经济性与可靠性。然而在室外复杂对流环境下，功率器件壳至环境的热阻将产生剧烈波动，而现有主动热控制中的温度控制仍采用传统PI控制，这会使器件壳温在额定温度上下波动，即器件的超温概率上升，从而降低器件工作的热安全性。同时，这种控制方法也会使输出电流出现较大的波动。输出电流长时间的波动会对负载产生较大的负面影响，例如令电动汽车出现持续颠簸，使系统无法安全可靠运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，解决了现有功率器件在复杂对流环境中由于环境热阻波动而导致的主动热控制不可靠问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，控制方法步骤如下：步骤1：在复杂对流环境下测量前K个时刻功率器件的输出电流、环境温度与功率器件的壳温，并结合壳与环境之间的热模型计算该时间序列下的环境热阻，获得历史环境热阻序列，其中K≥1000，转入步骤2；步骤2：利用马尔科夫链对历史环境热阻序列进行随机模拟，生成未来M个时刻的环境热阻序列，其中M≥1000，转入步骤3；步骤3：将未来M个时刻的环境热阻序列带入热模型，计算不同电流值下未来M个时刻的功率器件壳温序列，重复环境热阻序列随机模拟和功率器件壳温序列计算N次，得到壳温超温点的个数，计算超温概率，并根据概率要求选择合适的电流约束，其中N≥10，转入步骤4；步骤4：对该对流环境下的功率器件实施带有电流约束的主动热控制，其中电流环采用PI控制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)解决了现有功率器件在复杂对流环境中由于环境热阻波动而导致的主动热控制不可靠问题，使其超温概率下降，提高了功率器件工作的热安全性。(2)在室外复杂对流环境下对功率器件输出电流控制效果较好，使得输出电流较为平滑。附图说明图1为本专利技术复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法过程示意图。图2为功率器件壳与环境之间热模型的示意图。图3为本专利技术复杂对流情况下功率器件的主动热控制框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进一步的详细说明。如图1所示，一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，所述方法包括：步骤1：在复杂对流环境下测量前K个时刻的功率器件输出电流、环境温度与功率器件的壳温，并结合壳与环境之间的热模型计算该时间序列下各个时刻的环境热阻，获得历史环境热阻序列，其中K≥1000。所述步骤1中功率器件壳与环境之间的热网络模型如图2所示，将其写成数学表达式如下：其中，Ch为功率器件散热器的热容，根据定义可以表达为：Ch＝chmh(2)其中，ch为功率器件散热器材料的比热容；mh为功率器件散热器质量。Tc为功率器件的壳温，用温度传感器采集，Ploss为功率器件总损耗，通过功率器件手册给出的损耗公式进行计算并拟合成关于输出电流、功率器件壳温的函数，实际计算时根据测量的输出电流与功率器件壳温得到该损耗值，该方法可以简单有效的得到功率器件的损耗，Ta为环境温度，也用温度传感器进行采集，Rcha为功率器件壳与环境之间的总环境热阻，t为时间。在n时刻对式(1)进行时间离散，得到环境热阻的计算公式为：其中，Δt为离散时间步长。将前K个时刻用电流传感器测量到的输出电流与环境温度、功率器件的壳温带入环境热阻计算公式中，计算得到历史环境热阻序列。步骤2：利用马尔科夫链对历史环境热阻序列进行随机模拟，生成未来M个时刻的环境热阻序列，其中M≥1000。所述步骤2中，利用马尔科夫链进行热阻序列随机模拟的具体步骤包括：步骤2-1)假设在该复杂对流环境下n时刻环境热阻所处状态的概率只与n-1时刻的状态量有关，而与其他时刻状态无关。设Rcha(n-1)＝ei，Rcha(n)＝ej，根据马尔科夫链模拟原理，环境热阻由状态ei向状态ej转移的概率Pij可以表达为：Pij＝P(Rcha(n)＝ej|Rcha(n-1)＝ei)(4)其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,m，m为环境热阻状态总数，根据实际热阻值大小进行设置。在m个状态组成的状态空间中，状态转移概率可组成转移概率矩阵P：其中，通过环境热阻序列Rcha(n)的变化情况可计算出转移概率矩阵P。步骤2-2)利用P中各转移概率随机模拟后M个时刻的环境热阻，得到一组环境热阻随机模拟序列利用马尔科夫链随机模拟环境热阻的方法可以充分表现该复杂对流环境下的环境热阻变化情况，得到的环境热阻随机模拟序列用于后续的壳温序列计算中。步骤3：将模拟得到的环境热阻序列带入热模型中，计算不同电流值下未来M个时刻的功率器件壳温序列。重复环境热阻序列随机模拟和功率器件壳温序列计算N次，得到壳温超过额定温度的次数，计算超温概率，并根据概率要求选择合适的电流约束，包括以下步骤：步骤3-1)将环境热阻序列复杂对流环境的平均室温不同的电流值带入式(6)中，并设置初始壳温等于平均室温，迭代计算不同电流值下未来M个时刻的功率器件壳温，壳温计算公式为：步骤3-2)重复环境热阻序列随机模拟和功率器件壳温序列计算N次，计算不同电流值下N×M个热阻点壳温超过额定温度Tlim的点数k，计算超温概率pot：步骤3-3)利用步骤3-2)中得到的不同电流值超温概率，根据实际实验的超温概率要求选择合适的电流约束Ilim。这种电流约束方法在室外复杂对流环境下应用，可使功率器件输出电流较为平滑。步骤4：对该对流环境下的功率器件实施带有电流约束的主动热控制，电流环采用PI控制，如图3所示，具体方法如下：当测量得到的功率器件壳温低于所需控制的额定温度Tlim时，电流PI环给定值为电流输出极限值Imax，电流PI环反馈值为电流采样值Ifdb，此时电流环控制得当则输出电流将迅速上升至Imax；当器件壳温即将高于所需控制的额定温度Tlim时，电流PI环给定值修改为步骤3-3中计算并选择出的电流约束Ilim，此时电流环控制得当则输出电流将迅速下降至Ilim，功率器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，其特征在于，控制方法步骤如下：/n步骤1：在复杂对流环境下测量前K个时刻功率器件的输出电流、环境温度与功率器件的壳温，并结合壳与环境之间的热模型计算该时间序列下的环境热阻，获得历史环境热阻序列，其中K≥1000，转入步骤2；/n步骤2：利用马尔科夫链对历史环境热阻序列进行随机模拟，生成未来M个时刻的环境热阻序列，其中M≥1000，转入步骤3；/n步骤3：将未来M个时刻的环境热阻序列带入热模型，计算不同电流值下未来M个时刻的功率器件壳温序列，重复环境热阻序列随机模拟和功率器件壳温序列计算N次，得到壳温超温点的个数，计算超温概率，并根据概率要求选择合适的电流约束，其中N≥10，转入步骤4；/n步骤4：对该对流环境下的功率器件实施带有电流约束的主动热控制，其中电流环采用PI控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，其特征在于，控制方法步骤如下：
步骤1：在复杂对流环境下测量前K个时刻功率器件的输出电流、环境温度与功率器件的壳温，并结合壳与环境之间的热模型计算该时间序列下的环境热阻，获得历史环境热阻序列，其中K≥1000，转入步骤2；
步骤2：利用马尔科夫链对历史环境热阻序列进行随机模拟，生成未来M个时刻的环境热阻序列，其中M≥1000，转入步骤3；
步骤3：将未来M个时刻的环境热阻序列带入热模型，计算不同电流值下未来M个时刻的功率器件壳温序列，重复环境热阻序列随机模拟和功率器件壳温序列计算N次，得到壳温超温点的个数，计算超温概率，并根据概率要求选择合适的电流约束，其中N≥10，转入步骤4；
步骤4：对该对流环境下的功率器件实施带有电流约束的主动热控制，其中电流环采用PI控制。


2.根据权利要求1所述的复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，其特征在于，所述步骤1中，壳与环境之间的热模型数学表达式如下：



其中，Ch为功率器件散热器的热容，根据定义表达为：
Ch＝chmh(2)
其中，ch为功率器件散热器材料的比热容；mh为功率器件散热器质量；
Tc为功率器件的壳温，用温度传感器采集，Ploss为功率器件总损耗，通过功率器件手册给出的损耗公式进行计算并拟合成关于输出电流、功率器件壳温的函数，Ta为环境温度，也用温度传感器进行采集，Rcha为功率器件壳与环境之间的总环境热阻，t为时间；
在n时刻对式(1)进行时间离散，得到环境热阻的计算公式为：



其中，Δt为离散时间步长，将前K个时刻用电流传感器测量到的输出电流与环境温度、功率器件的壳温带入环境热阻计算公式中，计算得到历史环境热阻序列。


3.根据权利要求1所述的复杂对流环境下的功率器件主动热控制方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2-1)假设在该复杂对流...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜鑫，应展烽，张旭东，钟震，祖玮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32