基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法技术

本发明专利技术属于IGBT变流模块功率损耗计算及电热特性分析技术领域，具体为基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法，解决了背景技术中的技术问题，其根据电力电子拓扑及调制方式来建立电流脉冲，根据调制方式解析方法获取的脉冲电流数据可计算脉冲形式的损耗波动，计算一个周期内的脉冲损耗，脉冲损耗输入Foster热网络模型，进而计算波动结温。本发明专利技术避免了不同调制方式下占空比计算困难问题，所算损耗具有更好的精度，且能体现损耗在一个正弦波周期内的波动；以脉冲波动损耗为输入，以forster热网络模型为结温计算模型，可以体现结温在一个正弦波周期内的波动，相比于仅以热阻信息进行计算的结温，所计算的最大结温更准确。更准确。更准确。

【技术实现步骤摘要】
基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法


[0001]本专利技术属于IGBT变流模块功率损耗计算及电热特性分析
，涉及调制解析，具体为基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法。

技术介绍

[0002]牵引变流器作为电力机车的关键部件之一，一直是各项研究的重点关注方向。而半导体功率器件作为牵引变流器的组成基础与核心，其性能直接决定了牵引变流器的性能指标。随着半导体功率模块、变流器等电力电子装置向轻量化、紧凑化、节能化方向发展,半导体功率模块设计显得更加突出。目前采用的估算公式算法计算功率模块损耗的设计方法较粗放，往往会造成较大的设计裕量，不利于轻量化、紧凑化、节能化的设计目标。本专利将着力解决这个问题，从系统级层面考虑，提供一种将调制方式、冷却系统等因素统筹在内的半导体功率器件损耗设计结温设计的方法。
[0003]关于IGBT变流模块功率损耗计算及电热特性分析的研究大致分为三类：
[0004]第一种为如专利201810490961.3公布的一种牵引变流器在线结温计算方法，该方法基于牵引控制单元实时采集过来的驱动脉冲、电流等信号进行实时损耗及结温的计算，能够捕捉动态过程，结果较准确。但是该方法的实现依赖于控制单元，并不适合产品设计前期缺少控制单元的情况；
[0005]第二种为如201510344338.3公布了一种采用Matalb/simulink仿真软件实现城轨列车牵引变流器的功耗计算建模方法。该方法仿真计算工具受限于载荷点的数量，使软件工具的实际工程应用受到限制。且Matalb/simulink仿真模型在面对多种调制方式的应用时非常耗时，还对设计人员的能力要求较高，不利于工程化、模块化；
[0006]第三种为在线计算功率损耗和结温，如201410205679.8公开了一种风电变流器IGBT模块结温在线计算方法，该方法侧重于开关周期功率损耗的结温计算，考虑了结温对损耗的影响，仅能准确计算风电变流器在输出频率较低时的IGBT模块的动态波动结温。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在解决如何将调制方式、冷却系统等因素统筹在半导体功率器件损耗及结温计算方法中的技术问题，提供了一种基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法。
[0008]本专利技术解决其技术问题采用的技术手段是：提供一种基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法，包括四个步骤，分别为：
[0009]步骤一、根据具体的电力电子拓扑电路及其调制方式，建立调制方式的数学模型，进行数学求解，得到其调制方式下的一个周期内的器件导通区间；
[0010]步骤二、根据功率因数、负载相电流有效值和步骤一得到的导通区间构造一个周期的脉冲电流模型；
[0011]步骤三、根据导通电流脉冲计算每个电流脉冲对应器件的开通损耗、关断损耗和
通态损耗，进而获得每一个电流脉冲的平均损耗，最后可算得一个正弦波周期的平均损耗；
[0012]步骤四、以正弦波周期的平均损耗计算的稳态结温为forster热网络模型的初值，以脉冲损耗为动态输入计算一个正弦波周期内的结温波动。
[0013]本专利技术提出了根据电力电子拓扑及调制方式来建立调制脉冲及电流脉冲的方法，根据调制方式解析方法获取的脉冲电流数据可计算脉冲形式的损耗波动，从调制方式入手建立脉冲电流模型，计算一个周期内的脉冲损耗，脉冲损耗输入Foster热网络模型，进而计算波动结温的一整套方法。从系统级层面考虑，提供一种将调制方式、冷却系统等因素统筹在内的半导体功率器件损耗及结温计算方法，为轻量化、紧凑化以及节能化的变流器设计提供精细化理论计算支撑。
[0014]本专利技术的有益效果是：本方法将具体的调制方法纳入功率模块脉冲电流建模，所建脉冲电流模型与实际更接近，避免了不同调制方式下占空比计算困难问题，所算损耗具有更好的精度，且能体现损耗在一个正弦波周期内的波动；以脉冲波动损耗为输入，以forster热网络模型为结温计算模型，可以体现结温在一个正弦波周期内的波动，相比于仅以热阻信息进行计算的结温，所计算的最大结温更准确。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本专利技术所述基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法的流程图。
[0017]图2为本专利技术所述两电平电压源型逆变拓扑电路的结构示意图。
[0018]图3为本专利技术实施例1中的15分频两电平SPWM调制图。
[0019]图4为本专利技术实施例1中给定电流有效值为500A、功率因数0.9时，图3对应的一个正弦波周期脉冲电流(电流为正的是流过IGBT的电流，电流为负的是流过反向恢复二极管的电流)。
[0020]图5为本专利技术实施例1中SPWM调制模型脉冲损耗示意图。
[0021]图6为实施例1中所述带水冷系统的热网络模型。
[0022]图7为以图5所示脉冲损耗进入图6所示热网络模型，水温为50℃，在系统达到稳态时，脉冲损耗引起的周期性波动图。
[0023]图8为7分频中间60中间统达调制正弦波与三角载波示意图。
具体实施方式
[0024]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]实施例1：
[0026]基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法如图1所示，其中如图2
所示的两电平电压源型逆变拓扑电路，由于该拓扑具有结构对称性，每个桥臂上器件所产生的损耗在一个周期内是相等的，仅以第一个桥臂上半部分的IGBT S1及反并联二极管D1为例进行方法说明，对该电路采用SPWM调制方式，采用上述方案进行损耗及结温计算的步骤如下：
[0027]1)首先建立SPWM调制的数学模型，为了该计算方法具有普遍性，所述方法以一个正弦波周期[0 2π]为例，且横轴采用弧度角；
[0028]记直流母线电压为U
dc
，记目标正弦波线电压有效值为U，对应SPWM调制的调制比为：
[0029][0030]那么SPWM调制的正弦波可表示为：
[0031]F1＝M*sin(ω)，
[0032]其中ω为弧度角；
[0033]记载波比为MF，那么SPWM调制的三角载波可表示为F2＝(0 1
ꢀ‑
1 0)，对应的其中k＝0,1，
……
，MF
‑
1；
[0034]对应地，SPWM在一个周期内的调制可转化为在ω∈[0 2π]上求解F1≥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法，其特征在于，包括四个步骤，分别为：步骤一、根据具体的电力电子拓扑电路及其调制方式，建立调制方式的数学模型，进行数学求解，得到其调制方式下的一个周期内的器件导通区间；步骤二、根据功率因数、负载相电流有效值和步骤一得到的导通区间构造一个周期的脉冲电流模型；步骤三、根据导通电流脉冲计算每个电流脉冲对应器件的开通损耗、关断损耗和通态损耗，进而获得每一个电流脉冲的平均损耗，最后可算得一个正弦波周期的平均损耗；步骤四、以正弦波周期的平均损耗计算的稳态结温为forster热网络模型的初值，以脉冲损耗为动态输入计算一个正弦波周期内的结温波动。2.根据权利要求1所述的基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法，其特征在于，步骤一中调制方式解析以弧度角为尺度，获取[0 2π]上的功率器件导通区间，记为angle。3.根据权利要求1所述的基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：水富丽，王武俊，刘志敏，张瑞峰，郭佳，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：