基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统，包括：计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。本发明专利技术能够使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内。

Thermal protection and early warning method and system of power devices based on junction temperature prediction

【技术实现步骤摘要】
基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统
本专利技术涉及功率器件热保护
，尤其涉及一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。面向新能源电动汽车、智能电网和高性能电驱等应用场合的功率电子系统长期工作在高电压、大电流、强电磁干扰、时变负载、有限散热的恶劣工况下。繁杂的工况变化使得功率器件产生的废热迥异，器件温度也随之大幅波动，进而导致器件之间的应力波动频繁，严重影响器件寿命。由于构成功率器件本体及电力变流装置的各层材料的热膨胀系数并不一致，波动的温度将使器件本体和各层材料出现不同的疲劳退化和磨损现象。如果功率器件因疲劳和磨损带来的失效症状未能及时得到监测并采取有效的处理措施，将威胁到整个系统的安全可靠运行。据调查,大约34％的电力变流系统故障是功率器件失效引起的。因此，研究功率器件的结温估计方法与故障诊断策略对整个电力变流系统的可靠运行有重大意义。传统的功率器件结温测算方法是基于测算得到的器件功耗、器件壳温和器件的封装热阻，利用公式TJ＝TH+P·Rth计算器件结温，然后在结温超过警戒温度之后对功率器件施加保护，式中：TJ为功率器件结温、TH为器件壳温、P为器件损耗、Rth为器件的封装热阻。但是，专利技术人发现，传统的测算方法只能计算功率器件的稳态结温，但实际的结温变化轨迹要比稳态结温变化轨迹复杂得多。而且传统的测算方法计算功率器件结温存在滞后效应，结温发生变化体现到壳温需要经历一个较长的过程，故结温的实际值在很多时候会比计算值高。在实际工程中，为保证功率器件的可靠运行，使用传统的测算方法时，通常在设定结温保护阈值时留出足够的余量，提前对功率器件进行保护。这样的保护机制，无法充分发挥功率器件的物理极限，导致系统成本增高、工作效率降低。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决上述问题，提出了一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统，结合功率器件功耗变化轨迹和相应的Cauer热阻-热容网络模型，不仅可以预测功率器件在未来一段时间的结温变化轨迹，还可以得到功率器件结温到达警戒温度的时刻；在功率器件结温到达警戒温度的安全时间长度之前对功率器件施加保护。在一些实施方式中，采用如下技术方案：一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，包括：计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。如果结温变化轨迹没有超过预警温度，将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器，继续正常工作；如果结温变化轨迹在警戒时间外超过预警温度，则提前预警超过预警温度的时刻，但仍将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器；如果结温变化轨迹在警戒时间内超过预警温度，则封锁脉冲信号，并启动响应的保护机制，对功率器件施加保护。本专利技术方案将功率器件功耗变化轨迹和相应的Cauer热阻-热容网络模型进行结合，能够使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种基于功率器件结温预测的功率器件热保护与预警系统，包括：用于计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型的装置；用于根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹的装置；用于根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹的装置；用于将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态的装置。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术基于模型预测控制和Cauer热网络模型，通过使用实时的测量数据不断重复上述过程更新预测结温的变化轨迹，使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内，充分发挥功率器件的物理极限，更好地提升功率器件的稳定性和工作效率，提高产品的品质，极大地提高电动汽车、微电网和高性能电驱等功率电子系统的可靠性和电能变换效率。本专利技术有效克服了传统的解决方案存在的滞后效应，并依据预测结温建立了有效的功率器件热保护与预警机制，充分发挥了功率器件的物理极限，更好地提升了功率器件的稳定性和工作效率，降低了系统成本，极大地提高电动汽车、微电网和高性能电驱等功率电子系统的可靠性和电能变换效率。附图说明图1为本专利技术实施例中Cauer热阻-热容网络模型示意图；图2为本专利技术实施例中电热学参数的对应关系；图3为本专利技术实施例中IGBT物理层结构；图4为本专利技术实施例中结温预测流程图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一在一个或多个实施方式中，公开了一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，包括以下过程：计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；对功率器件建立温度模型，通过计算得到器件内部的温度。根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。具体地，本专利技术方案基于模型预测控制原理，通过对系统建模，由输入变量和测算所得的状态变量，预测系统未来一段时间内的状态变化轨迹，以最小化代价函数原则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，包括：/n计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；/n根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；/n根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；/n将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，包括：
计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；
根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；
根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；
将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。


2.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型，具体为：
获取功率器件内部各层的物理结构和属性，利用热阻和热容公式直接计算出各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；
或者，
借助数据手册中附带的Foster热网络模型参数进行模型转化获得Cauer热网络模型参数。


3.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，所述最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，具体为：
对功率器件建立温度模型，计算得到器件内部的温度，计算未来n个时刻的状态变量，通过给定的参考变量，利用代价函数，考虑设定的限制条件，计算出最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量。


4.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹，具体为：
通过Cauer热网络模型的各层热阻和热容值，计算得到功率器件等效热阻抗；
利用测算得到的壳温、等效热阻抗和热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹。


5.如权利要求4所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，所述功率器件的结温变化轨迹具体为：
TJ(t)＝TH+P(t)·Z't...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祯滨，张进，李昱，李真，高峰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37