【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电力电子器件可靠性，具体涉及一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法。
技术介绍
1、绝缘栅双极型晶体管（insulate-gate bipolar transistor，igbt）集成绝缘栅型场效应管和电力晶体管的优点，是轨道交通牵引传动系统的关键器件。根据工业界的调查，igbt模块是电力电子系统中最易失效的器件之一，且约55%的器件失效是由温度引起的，igbt模块的平均寿命随温度的上升而下降。现有服役寿命按照状态修的方式，寿命未达尽限使用，因此，监测igbt模块工作结温对提高器件的可靠性具有重要意义。
2、目前常用的igbt模块结温监测方法可分为物理接触法、光学测量法、温敏电参数法、热模型法和有限元法五类。分别存在以下缺点：1）igbt模块具有封装特性；2）监测设备成本较高；3）精度依赖于模块的预先校准；4）热阻和热容参数提取较为复杂；5）建模过程较为复杂。为解决牵引变流器igbt模块结温准确、实时监测的问题，需要提出一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法。该方法既简化计算，又保证igbt模块结温监测精度的同时，提升了模型的计算速度。
2、为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
3、第一方面，本专利技术提供了一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法，包括步骤：p>
4、建立igbt的电路模型计算损耗；
5、基于igbt和水冷板的空间位置和几何尺寸建立igbt结构模型；
6、将不同边界条件下水冷igbt模块的温度场作为样本数据，基于奇异值分解法提取水冷igbt温度场的模态；
7、基于提取的主要模态，结合伽辽金投影，将热传导高阶方程投影到子空间，得到水冷igbt模块的降阶热模型；
8、将igbt损耗和水冷对流系数代入冷igbt热降阶模型中计算igbt结温。
9、进一步的，所述建立igbt的电路模型计算损耗，包括：
10、根据igbt模块产品数据手册，提取关键参数，所述关键参数包括初始饱和压降、导通电阻、热特性；
11、igbt模块的导通损耗与初始饱和压降和导通电阻呈函数关系，针对输出特性曲线，通过插值计算，使用线性方程进行表征；开关损耗根据数据手册中的开关能量损耗与电流关系，应用多项式插值法构建开关能量损耗的二次方程，根据开关能量损耗随电压和温度变化的曲线斜率，确定实际工况下的修正系数。
12、进一步的，所述基于igbt模块和水冷板的空间位置和几何尺寸建立igbt结构模型，包括：
13、获知igbt模块和水冷板内部各层结构的精确尺寸与厚度参数，建立水冷igbt模块三维结构模型。
14、进一步的，所述三维结构模型制图软件为solidworks。
15、进一步的，所述将不同边界条件下水冷igbt模块的温度场作为样本数据，基于奇异值分解法提取水冷igbt温度场的模态，包括：
16、将水冷板及igbt模块三维结构模型导入ansys icepak仿真软件，对其进行网格划分，并设置边界条件；对水冷板进行流体-热仿真得到水冷板温度场，进而得到水冷板和igbt接触面等效强制对流换热系数；基于对流换热系数在ansys workbench得到水冷igbt温度场，基于奇异值分解法提取水冷igbt温度场的若干模态。
17、进一步的，所述基于奇异值分解法提取水冷igbt温度场的若干模态，包括：
18、热传导方程为：
19、;
20、上式中， ρ为igbt芯片材料密度； c为igbt芯片的比热容； t为温度；为热流的散度，表示单位面积在某一方向上的热流速率； λ为igbt芯片的导热系数； q为igbt芯片内部发热率；
21、对流方程为：
22、;
23、上式中， q'为对流过程中单位面积上的热流密度； h为对流系数； t c为igbt结温； t w为环境中与igbt模块壳体进行对流换热的流体温度；
24、将不同时间点的igbt模块的温度场通过有限个基函数进行表达，并表示为线性方程组；通过解所述线性方程组，得到m个系数，每个系数对应一个基函数，从而获取当前时刻的温度场的近似解。
25、进一步的，所述基于提取的主要模态，结合伽辽金投影，将热传导高阶方程投影到子空间，得到水冷igbt模块的降阶热模型，包括：
26、利用奇异值分解方法提取出基函数，将原始温度场表示成基函数的线性叠加形式，把复杂的原始温度场通过少数几个基函数的组合来表示；基于伽辽金投影，用提取出的基函数与温度方程两边分别进行内积运算，得到igbt模块的热降阶模型。
27、进一步的，所述将igbt损耗和水冷对流系数代入水冷igbt热降阶模型中计算igbt结温，包括：
28、将计算得到的igbt损耗和水冷对流系数代入降阶热模型，求解igbt模块的结温；结合实时数据，动态更新结温计算，从而在不同工作状态下能够实时评估igbt模块的温度变化。
29、另一方面，本专利技术还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序及处理器加载并执行计算机程序时，采用了如上述的一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法。
30、本专利技术的有益效果如下：
31、本申请提供了一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法中，首先建立igbt的电路模型计算损耗，然后基于igbt和水冷板的空间位置和几何尺寸建立igbt结构模型，将不同边界条件下水冷igbt模块的温度场作为样本数据，基于奇异值分解法提取水冷igbt温度场的模态，最后基于提取的主要模态，结合伽辽金投影，将热传导高阶方程投影到子空间，得到水冷igbt模块的降阶热模型。该方法对igbt模块二维温度场进行预测，仅需输入对流系数与损耗，无需增设外部电路或者传感器，与传统方法相比，既简化计算，又保证igbt模块结温监测精度的同时，提升了模型的泛化能力，便于实际工程应用。
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1.一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于，包括步骤：
2.如权利要求1所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述建立IGBT的电路模型计算损耗，包括：
3.如权利要求2所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述基于IGBT模块和水冷板的空间位置和几何尺寸建立IGBT结构模型，包括：
4.如权利要求3所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述三维结构模型制图软件为SolidWorks。
5.如权利要求4所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述将不同边界条件下水冷IGBT模块的温度场作为样本数据，基于奇异值分解法提取水冷IGBT温度场的模态，包括：
6.如权利要求5所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述基于奇异值分解法提取水冷IGBT温度场的若干模态，包括：
7.如权利要求6所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时
8.如权利要求7所述一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述将IGBT损耗和水冷对流系数代入水冷IGBT热降阶模型中计算IGBT结温，包括：
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序及处理器加载并执行计算机程序时，采用了如权利要求1至8中任一项所述的一种牵引变流器IGBT模块热模型降阶结温实时评估方法。
...【技术特征摘要】
1.一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于，包括步骤：
2.如权利要求1所述一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述建立igbt的电路模型计算损耗，包括：
3.如权利要求2所述一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述基于igbt模块和水冷板的空间位置和几何尺寸建立igbt结构模型，包括：
4.如权利要求3所述一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述三维结构模型制图软件为solidworks。
5.如权利要求4所述一种牵引变流器igbt模块热模型降阶结温实时评估方法，其特征在于：所述将不同边界条件下水冷igbt模块的温度场作为样本数据，基于奇异值分解法提取水冷igbt温度场的模态，包括：
6.如权利要求5所述一种牵引...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘建强，刘云鹤，裴春兴，郭腾飞，朱本晶，李劲达，陈鹏，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：
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