一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法技术

本发明专利技术公开了一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法，具体为：采集计算功率损耗所需的外部变量，计算出单个基波周期内的平均损耗，然后转换为半正弦损耗；对半正弦损耗曲线进行一阶方波等效，结合热网络模型，计算出稳态基波周期的初始结温值；将半正弦损耗曲线进行离散化处理，结合热网络模型和初始结温值，推导出单个稳态基波周期内任意时间点的结温表达式；对结温表达式进行求导，获取最大、最小结温时间点，基于等面积定则对半正弦损耗进行离散等效；计算出离散后的矩形脉冲损耗值，并将其代入热网络模型中，计算出IGBT的结温。本发明专利技术使得功率损耗的离散更加合理，估计的结温更加精确，同时可有效降低结温估计中的计算量。的计算量。的计算量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法


[0001]本专利技术属于电力电子变流器中功率半导体的可靠性评估
，具体涉及一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法。

技术介绍

[0002]在电力电子变流器系统中，绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)以其优良的电能转换性能被广泛应用于众多工业领域，但实际运用中，由于恶劣的运行环境和频繁的工况变化，IGBT模块会随着时间的推移不断出现老化及损坏。相关研究表明：温度波动是影响IGBT模块可靠性最关键的因素，且目前针对变流器IGBT模块的可靠性评估主要基于结温进行，因此准确的结温估计是可靠性分析的关键步骤。
[0003]对于结温计算，功率损耗的等效建模至关重要，因为其不仅关系到结温估计的精度，同时也会影响结温估计的计算量。近年来，提出了一些功率损耗等效建模方法。Arendt Wintrich U N，Tursky W使用一阶方波来等效单个基波周期内的实际功率损耗，其可以实现较小计算量，但结温波动的估计误差较大，尤其在较低的基波频率下。为了降低估计误差，Ma K，Bahman AS，Beczkowski S等人提出一种两级功率损耗等效模型，实现较好的结温估计，但未考虑更广泛的基波频率的结温估计效果。Zhang Y，Wang H，Wang Z等人提出了一种功率损耗建模的方法，利用不同矩形脉冲波的数量(离散级数)来平衡结温估计误差和计算负担。
[0004]现有的功率损耗建模方法多采用基于1/4基波周期时间点的等距划分准则，其估计最大结温发生时间点会随着离散水平变化而变化，且在基波周期内不存在最小结温，这与实际中结温曲线特性不相符，并进一步导致结温的估计误差较大且计算量较高。

技术实现思路

[0005]为克服上述缺陷，本专利技术提供一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法。
[0006]本专利技术的一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：采集计算功率损耗所需的外部变量，计算出单个基波周期内的平均损耗，然后根据公式(1)，将平均损耗转换为半正弦损耗；
[0008]P
sin_peak
＝π
·
P
average
ꢀꢀꢀ
(1)
[0009]式中：P
average
为平均损耗值，P
sin_peak
为半正弦损耗的峰值。
[0010]对于IGBT的平均损耗，其主要包括导通损耗P
conduct
和开关损耗P
switching
，对于导通损耗计算：
[0011][0012]式中：I
IGBT
为变流器输出正弦电流的有效值，M
d
为调制度，为功率因数；V
s
(T
j
)为一定结温下的阈值电压，R(T
j
)为一定结温下的导通电阻，两者均可以从实际使用的IGBT
数据手册中获取。
[0013]对于开关损耗，
[0014][0015]式中：f
switching
为变流器的开关频率，V
DC
为变流器的直流侧电压，I
IGBT
为变流器输出电流的有效值；E
on+off
为一定结温下的开通损耗和关断损耗之和，I
Ref
，V
Ref
分别为参考电流和电压值，T
Ref
为参考温度，T
j
为实际的结温，K
V
开关损耗的电压依赖性指数，C
TE
开关损耗的温度系数，以上六个参数(E
on+off
，I
Ref
，V
Ref
，T
Ref
，K
V
，C
TE
)同样可以从实际使用的IGBT数据手册中获取。
[0016]步骤2：将半正弦损耗曲线进行一阶方波等效，结合IGBT的Foster型热网络模型，计算出稳态基波周期的初始结温值；
[0017]基于等面积定则，一阶方波等效幅值P
s
与半正弦损耗的峰值P
sin_peak
的关系可以表示为：
[0018][0019]其次，IGBT的Foster型热网络模型表达式如下：
[0020][0021]式中：R
THj
,τ
THj
为IGBT的Foster型热网络模型的第j阶热阻和热时间常数；τ
THj
＝R
THj C
THj
，C
THj
为Foster型热网络模型的第j阶热容；m为热网络模型的阶数，Z
TH
(t)为瞬态热阻抗值。
[0022]以1/2基波周期为一个迭代计算周期，结温从参考点到稳态的计算过程表示为：
[0023][0024]式中：ΔT1，ΔT2，ΔT3，ΔT
2n
分别为第1、2、3以及2n个迭代周期的结温值，进一步，当式(6)中n趋近于无穷，可以得到稳态基波周期初始结温ΔT
Ref
如下：
[0025][0026]步骤3：将步骤1获取的半正弦损耗曲线进行离散化处理，结合IGBT的Foster型热
网络模型和步骤2的计算的初始结温值，推导出单个稳态基波周期的任意时间点的结温表达式；
[0027]在获得半正弦稳态基波周期功率损耗损耗中，任选一个时间点，将选取的时间段进行n级离散化处理，通过迭代计算推导出单个稳态基波周期内的第n个时间段的结温波动，即所选时间点的结温波动可以表示为：
[0028][0029]进一步，根据牛顿-莱布尼兹积分定理，当所选时间段内功率损耗的离散数量n趋近于无穷大时，单个稳态基波周期内任意时间点的结温波动值可以表示为：
[0030][0031]步骤4：对结温表达式进行求导，获取最大、最小结温时间点，基于等面积定则及获取的最大最小结温时间点对半正弦损耗进行离散等效；
[0032]对所述步骤3中所获结温表达式进行求导所得导数式为：
[0033][0034]令表达式(10)等于0，则可以获取最大最小结温发生时间点T
max
，T
min
。
[0035]步骤5：计算出离散后的矩形脉冲损耗值，并将其代入Foster热网络模型中，计算出IGBT的结温。
[0036]对于离散后的矩形脉冲损耗值，基于等面积定则建立了等效损耗与半正弦损耗之间的方程组如下：
[0037][0038]式中：u＝T
min
/T0，w＝T
max
/T0，T0为基波周期；P
i
(i＝1，2，3)为第i个的等效矩形损耗的幅值。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集计算功率损耗所需的外部变量，计算出单个基波周期内的平均损耗，然后根据式(1)，将平均损耗转换为半正弦损耗：P
sin_peak
＝π
·
P
average
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中：P
average
为单个基波周期内的平均损耗，P
sin_peak
为半正弦损耗的峰值；步骤2：将半正弦损耗曲线进行一阶方波等效，结合IGBT的Foster型热网络模型，计算出稳态基波周期的初始结温值；其中，IGBT的Foster型热网络模型表达式如下：式中：R
THj
,τ
THj
为IGBT的Foster型热网络模型的第j阶热阻和热时间常数；τ
THj
＝R
THj C
THj
，C
THj
为Foster型热网络模型的第j阶热容；m为热网络模型的阶数，Z
TH
(t)为瞬态热阻抗值；以1/2基波周期为一个迭代计算周期，对结温进行迭代；当迭代次数趋近于无穷时，得到稳态基波周期初始结温ΔT
Ref
如下：步骤3：将步骤1获取的半正弦损耗曲线进行离散化处理，结合IGBT的Foster型热网络模型和步骤2的计算的初始结温值，推导出单个稳态基波周期的任意时间点的结温表达式：步骤4：对结温表达式进行求导，获取最大、最小结温时间点，基于等面积定则及获取的最大、最小结温时间点对半正弦损耗进行离散等效；对所述步骤3中所获结温表达式进行求导所得导数式为：令式(5)等于0，获取最大、最小结温发生时间点T
max
，T
min
；步骤5：根据等面积定则，计算出离散后的矩形脉冲损耗值，并将其代入Foster热网络模型中，计算出IGBT的结温。求解基于等面积定则建立的等效损耗与半正弦损耗之间的方程组，获取等效离散损耗幅值如下：
当基波频率较小时，结温的基波周期内不存在最小结温，因此将u的等效值替换为w/2，同样基于等面积定则获取该情形下的三个离散损耗幅值为：进一步，将式(6)或(7)获取的脉冲损耗值代入Foster热网络模型中，即可计算出IGBT的结温。2.根据权利要求1所述的一种用于IGBT结温估计的优化功率损耗等效建模方法，其特征在于，所述步骤1中IGBT的平均损耗，包括导通损耗P
conduct
与开关损耗P
switching
，对于导通损耗，式中：I
IGBT
为变流器输出正弦电流的有效值，M
d
为调制度，为功率因数；V
s
(T
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛兴来，张艺驰，肖秀陈，冯晓云，苟斌，宋文胜，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：