一種絕緣柵雙極晶體管igbt模塊溫度求解算法
【專利摘要】一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，首先提取IGBT模塊的功率損耗模型擬合參數(shù)和7階等效Cauer傳熱網(wǎng)絡(luò)模型熱阻熱容參數(shù)以及環(huán)境溫度，然后根據(jù)從電網(wǎng)絡(luò)模型檢測到的當(dāng)前迭代周期及上一迭代周期的門極觸發(fā)信號，判斷IGBT、反向并聯(lián)二極管(FWD)在當(dāng)前迭代周期所處的狀態(tài)，接著計(jì)算出IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期相應(yīng)狀態(tài)的功率損耗，最后IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型綜合當(dāng)前迭代周期的功率損耗及環(huán)境溫度，求解出IGBT模塊溫度。本發(fā)明提出的IGBT模塊溫度求解算法不僅可以實(shí)現(xiàn)IGBT模塊溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算，而且能夠?yàn)镮GBT模塊的散熱設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、可靠性評估等方面奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】
-種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種溫度求解算法，具體設(shè)及一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求 解算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣柵雙極晶體管（IGBT)模塊溫度不僅直接影響IGBT模塊的散熱設(shè)計(jì)、工作性能 和使用壽命，而且還會直接影響到變流器系統(tǒng)的長期可靠性，故獲取IGBT模塊溫度對于確 保變流器系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行具有重要意義。
[0003] 現(xiàn)有關(guān)于IGBT模塊娃忍片PN結(jié)溫度(結(jié)溫）、外殼溫度的獲取方法較多。中國專利 ZL :201410205679.8公開的《風(fēng)電變流器IGBT模塊結(jié)溫在線計(jì)算方法》，在考慮IGBT模塊電 熱禪合特性的前提下，基于開關(guān)周期損耗在線計(jì)算IGBT模塊結(jié)溫；中國專利ZL: 201310442045.X公開的《IGBT模塊殼溫的實(shí)時(shí)估算方法》，通過建立熱阻與熱容并聯(lián)的熱電 路模型來模擬IGBT模塊外殼的熱傳導(dǎo)過程，進(jìn)而估算IGBT模塊外殼溫度；中國專利化： 201410345265.5公開的《一種IGBT模塊工作結(jié)溫的在線檢測系統(tǒng)及檢測方法》，利用溫敏時(shí) 間在固定關(guān)斷電壓、電流情況下與IGBT模塊工作結(jié)溫的密切關(guān)系，通過提取溫敏時(shí)間間接 計(jì)算結(jié)溫；中國專利化:201410853960.2公開的《一種IGBT模塊的穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算方法》，通過 輸入IGBT模塊的功率損耗、結(jié)殼熱阻、導(dǎo)熱接觸材料熱阻、散熱器至環(huán)境的熱阻，計(jì)算IGBT 模塊娃忍片PN結(jié)、外殼的穩(wěn)態(tài)溫度。然而，上述專利均未設(shè)及到IGBT模塊溫度的計(jì)算，因?yàn)?IGBT模塊不僅包括娃忍片PN結(jié)、外殼，還包括上焊料層、上銅層、陶瓷層、下銅層、下焊料層 和基板等結(jié)構(gòu)層。綜上所述，目前尚無有關(guān)IGBT模塊溫度的獲取方法。
[0004] 因此，發(fā)明一種全新的IGBT模塊溫度求解算法，對于提升IGBT模塊在工程應(yīng)用設(shè) 計(jì)中的工作與應(yīng)用效率具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的問題是針對上述現(xiàn)有模型及方法的不足，提供一種絕緣柵雙極 晶體管IGBT模塊溫度求解算法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[000引步驟一：提取IGBT模塊的功率損耗模型擬合參數(shù)a、b、c、d和7階等效化uer傳熱網(wǎng) 絡(luò)模型熱阻熱容參數(shù)R、CW及環(huán)境溫度Τα;
[0009] 步驟二:根據(jù)從電網(wǎng)絡(luò)模型檢測到的當(dāng)前迭代周期及上一迭代周期的口極觸發(fā)信 號Vc[k]、Vc[k-U，判斷IGBT、反向并聯(lián)二極管(FWD)在當(dāng)前迭代周期所處的狀態(tài)，即導(dǎo)通、開 通或關(guān)斷狀態(tài)；
[0010] 步驟立:基于當(dāng)前迭代周期流經(jīng)IGBT、FWD的電流電壓Ic山、VcE山、If山、Vd山及 結(jié)溫TTj比]、TDj比]，計(jì)算IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期相應(yīng)狀態(tài)的功率損耗PiDss比];
[0011] 步驟四：IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型綜合當(dāng)前迭代周期的功率損耗PiDss[k]及環(huán)境溫 度Τα,求解IGBT模塊溫度Τ比+1];
[0012] 步驟五:如果相鄰輸出周期的溫度迭代變量滿足收斂條件，則求解計(jì)算終止，輸出 IGBT模塊的功率損耗PiDss[k]和各層溫度T[k];如果相鄰輸出周期的溫度迭代變量不滿足 收斂條件，則將T[k]、VG[k-l]分別更新為T[k+l]、VG[k]，重復(fù)步驟二至四，直到相鄰輸出周 期的溫度迭代變量滿足收斂條件為止。
[0013] 進(jìn)一步，步驟二判斷IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期所處狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是：
[0016] 進(jìn)一步，步驟S中的IGBT導(dǎo)通損耗Ptc。。、IGBT開通損耗P。。、IGBT關(guān)斷損耗Poff、FWD 導(dǎo)通損耗時(shí)。Dn、FWD關(guān)斷損耗(又稱反向恢復(fù)損耗)Prr分別為：
[0017] PTc〇n(TTj,Ic)=ax · Txj+bx
[001引上式中，aT和bT分別為：
[0019]
[0020] bT = PTcon(TTmin, Ic)-ax · Txmin
[0021] PTcon(TTmin, Ic) =ai · Ic^+bi · Ic^+ci · Ic+dl
[0022] PTcon(Txmax, Ic) =B2 * Ic^+b2 * Ic^+C2 * Ic+d2
[00Z3] 上式中的擬合系數(shù)日1、131、(31、(11、日2、62、。2、(12可^通過魁1']^\13擬合工具箱擬合得到。
[0024] FWD導(dǎo)通損耗時(shí)。ηη計(jì)算方法與上述IGBT導(dǎo)通損耗Ρτ。。。計(jì)算方法類似。
[0025] IGBT開通損耗Ρ。。為：
[0026] P〇n = E〇n · fsw · VCE/Vrated
[0027] 上式中，fsw為IGBT開關(guān)頻率;VcE為IGBT集射工作電壓，Vrated為IGBT額定工作電壓； 開通能量E。。為：
[002引 E0n = a0n · TTj+bon
[0029] E〇n(TTmin, Ic) =Β3 * Ic^+bs * Ic^+C3 * Ic+ds
[0030] E〇n(Txmax, Ic) =B4 * Ic^+b4 * Ic^+C4 * Ic+d4
[0031]
[003^ b0n = Pon(TTmin, Ic)-a0n · TTmin
[00削上式中的擬合系數(shù)曰3、b3、C3、d3、曰4、b4、C4、d4可W通過MATLAB擬合工具箱擬合得到。
[0034] IGBT關(guān)斷損耗P〇ff、FWD反向恢復(fù)損耗Prr計(jì)算方法與上述IGBT導(dǎo)通損耗Ptc。。計(jì)算方 法類似。
[0035] 進(jìn)一步，步驟四中的IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型是由與附圖1對應(yīng)的IGBT模塊7階等效 化uer傳熱網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過龍格-庫塔法差分處理所得，即：
[0036]
[0037] 上式中，4 = 0，1，2,3-，；矩陣1'表示1681'模塊從上到下各層溫度的矩陣，即了=[1'1 T2 T3 T4 T5 T6 T7]T;U=[Pi0ss TA]T;tsi^ 仿真步長;矩陣4、8、1(1、1(2、1(3、1(4分別如下式所示， 其中，1?8為散熱器熱阻。
[00；3 引
[0043] 進(jìn)一步，步驟五的收斂條件為：
[0044] I |Τ比+n]-T[k] ||〇〇<Μ
[0045] 式中，Μ為預(yù)定精度，η為一個(gè)輸出周期的迭代計(jì)算次數(shù)。
[0046] 本發(fā)明一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，可W在保證計(jì)算精度的基 礎(chǔ)上，避免建模過程復(fù)雜、模型參數(shù)提取困難、數(shù)據(jù)儲存量過大、仿真耗時(shí)嚴(yán)重等問題，為 IGBT模塊與變流器系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計(jì)、工作性能和使用壽命的提高，W及輸變電工 程高壓直流換流閥、靜止無功補(bǔ)償器、統(tǒng)一潮流控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、長期可靠性評估等 方面提供服務(wù)和奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0047] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[004引圖1為絕緣柵雙極晶體管（IGBT)模塊等效化uer傳熱網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。
[0049] 圖2為IGBT模塊溫度求解算法示意圖。
[0050] 圖3為IGBT模塊垂直層狀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051] 圖4為兩電平Ξ相電壓源逆變器中IGBT模塊溫度仿真求解原理框圖。
[0052] 圖5為兩電平Ξ相電壓源逆變器中IGBT模塊IGBT忍片及其W下各層溫度。
[0053] 圖6為兩電平Ξ相電壓源逆變器中IGBT模塊FWD忍片及其W下各層溫度。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 如圖2所示，一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，具體包括W下步驟：
[0055] 步驟一:提取IGBT模塊的功率損耗模型擬合參數(shù)a、b、C、d。
[0056] 首先，將IGBT模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊提供的IGBT最小典型溫度TTmin和最大典型溫度 TTmax下的VcE-Ic輸出特性曲線，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的PTcon-Ic特性曲線;接著，在MATLAB擬合工具箱 中把IGBT通態(tài)損耗PTccm用集電極電流Ic的多項(xiàng)式擬合，得到擬合系數(shù)曰1、61、(31、山和曰2、62、 〇2、(12。。￥0通態(tài)損耗?1。。。的擬合系數(shù)提取方法類似。
[0057] 根據(jù)IGBT模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊提供的IGBT最小典型溫度TTmin和最大典型溫度TTmax下 的Eon-Ic特性曲線，在MTLAB擬合工具箱中把開通能量Eon用集電極電流Ic的多項(xiàng)式擬合，得 到擬合系數(shù)曰3、63、[3、(13和曰4、64、。4、(14;16131'關(guān)斷能量6。。少胖0反向恢復(fù)能量61^的擬合系數(shù)提 取方法類似。
[005引步驟二:提取IGBT模塊的傳熱網(wǎng)絡(luò)模型熱阻熱容參數(shù)R、CW及環(huán)境溫度Τα。
[0059] 如附圖3所示，IGBT模塊內(nèi)部有7個(gè)不同層，從上到下分別為:娃忍片、上焊料層、上 銅層、陶瓷層、下銅層、下焊料層和基板。IGBT模塊7階等效化ster傳熱網(wǎng)絡(luò)模型的瞬態(tài)熱阻 抗表達(dá)式如下式所示。
[0060]
[0061] 式中，ri、Ti分別為等效化ster傳熱網(wǎng)絡(luò)模型第i層的熱阻和時(shí)間常數(shù)。
[0062] 由于IGBT模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊通常提供了通過實(shí)驗(yàn)測得的IGBT、FWD瞬態(tài)熱阻抗曲 線，因此對其進(jìn)行7階指數(shù)級數(shù)擬合，可W得到上式的各個(gè)未知參數(shù)值。對上式進(jìn)行拉普拉 斯變換，得到：
[0063]
[0064] 根據(jù)復(fù)阻抗的定義，7階等效化uer傳熱網(wǎng)絡(luò)模型的熱阻抗為：
[00 化]
[0066] 根據(jù)IGBT模塊等效化sterXauer傳熱網(wǎng)絡(luò)模型熱阻抗恒等的原則，即ZthU-G)(s) =2\4片。)（3)，可^求得7階等效化116^專熱網(wǎng)絡(luò)模型的各階熱阻把和熱容(：1，即1681'模塊各 物理結(jié)構(gòu)層的熱阻和熱容值。
[0067] 步驟根據(jù)從電網(wǎng)絡(luò)模型檢測到的當(dāng)前迭代周期及上一迭代周期的口極觸發(fā)信 號Vc比]、Vc比-1]，判斷IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期所處的狀態(tài)，即導(dǎo)通、開通或關(guān)斷狀態(tài)。
[0068] 判斷IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期所處狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是：
[0069] 跑BT工作狀態(tài)
[0070] FWD工作狀態(tài)
[007。 步驟四：基于當(dāng)前迭代周期流經(jīng)IGBT、反向并聯(lián)二極管(FWD)的電流電壓Ic[k]、VcE 山山山、￥〇山及結(jié)溫切比]、了"山，計(jì)算1681'少胖0在當(dāng)前迭代周期相應(yīng)狀態(tài)的功率損耗 Pi〇ss[k] 〇
[00巧 IGBT導(dǎo)通損耗Ptc。。、IGBT開通損耗P。。、IGBT關(guān)斷損耗Poff FWD導(dǎo)通損耗時(shí)c0n、FWD關(guān) 斷損耗(又稱反向恢復(fù)損耗)Prr計(jì)算公式分別為：
[0073] PTc〇n(TTj,Ic)=ax · Txj+bx
[0074] 上式中，aT和bT分別為：
[0075]
[0076] bT = PTcon(TTmin, Ic)-ax · Txmin
[0077] PTcon(TTmin, Ic) =ai · Ic^+bi · Ic^+ci · Ic+dl
[007引 PTcon(TTmax, Ic)=日2 · Ic3+b2 · Ic2+C2 · Ic+cb
[0079] FWD導(dǎo)通損耗時(shí)。nn計(jì)算方法與上述IGBT導(dǎo)通損耗Pt。。。計(jì)算方法類似。
[0080] IGBT開通損耗Ρηη計(jì)算公式為：
[0081 ] ρ〇" = Ε〇η · fsw · VCE/Vrated
[00劇上式中，fsw為IGBT開關(guān)頻率;VCE為IGBT集射工作電壓，Vrated為IGBT額定工作電壓； 開通能量E。。為：
[0083] E〇n = a〇n · Txj+bon
[0084] E〇n(TTmin, Ic) =Β3 * Ic^+bs * Ic^+C3 * Ic+ds [00化]E〇n(TTmax, Ic)=日4 · Ic3+b4 · Ic2+C4 · Ic+cU
[0086]
[0087] b〇n = Pon(Txmin, Ic)-a〇n ? Txmin
[008引 IGBT關(guān)斷損耗P0ff、FWD反向恢復(fù)損耗Prr計(jì)算方法與上述IGBT導(dǎo)通損耗Ptc。。計(jì)算方 法類似。
[0089] 步驟五：IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型綜合當(dāng)前迭代周期的損耗PiDss[k]及環(huán)境溫度Τα， 求解IGBT模塊的溫度矩陣T[k+1 ]。
[0090] IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型如下式所示，將IGBT模塊當(dāng)前迭代周期的損耗PiDss[k]及 環(huán)境溫度Τα代入其中，即可計(jì)算求得IGBT模塊溫度矩陣T比+1]。
[0091]
[0092] 上式中，4 = 0，1，2,3-，；矩陣1'表示1681'模塊從上到下各層溫度的矩陣，即了=[1'1 Τ2 Τ3 Τ4 Τ5 Τ6 T7]T;tsim為仿真步長；1(1、1(2、1(3、1(4分別如下式所示。
[0093] Ki = A · T[k]+B · U[k]
[0094]
[0095]
[0096] K4 = A · (T[k]+tsim · K3)+B · U(tk+l，T[k]+tsim ·拉）
[0097] 上式中，U=[Pi0ss Ta]t;矩陣A、B如下式所示，其中瓜為散熱器熱阻。
[009引
[0099] 步驟六:如果相鄰輸出周期的溫度迭代變量滿足收斂條件，則仿真計(jì)算終止，輸出 IGBT模塊的功率損耗PiDss[k]和IGBT模塊各層溫度T[k];如果相鄰輸出周期的溫度迭代變 量不滿足收斂條件，則將T[k]、VG[k-l]分別更新為T[k+1]、VG比]，重復(fù)步驟二至四，直到相 鄰輸出周期的溫度迭代變量滿足收斂條件。
[0100] 其中，收斂條件為：
[0101] I |T[k+n]-T比]I |〇〇<M
[0102] 式中，Μ為預(yù)定精度，η為一個(gè)輸出周期的迭代計(jì)算次數(shù)。
[0103] 將上述本發(fā)明提出的IGBT模塊溫度求解算法編譯成動態(tài)鏈接庫文件(化L)，并導(dǎo) 入Saber軟件中，建立兩電平Ξ相電壓源逆變器中IGBT模塊的溫度計(jì)算模型。附圖4為兩電 平Ξ相電壓源逆變器中IGBT模塊溫度仿真求解原理框圖，IGBT模塊溫度的計(jì)算結(jié)果如附圖 5、6所示。圖5從上到下分別為IGBT忍片及其W下各層溫度；圖6從上到下分別為FWD忍片及 其W下各層溫度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)IGBT模塊溫度的 快速求解包含以下步驟： 步驟一：提取IGBT模塊的功率損耗模型擬合參數(shù)a、b、c、d和7階等效Cauer傳熱網(wǎng)絡(luò)模 型熱阻熱容參數(shù)R、C以及環(huán)境溫度Τα; 步驟二:根據(jù)從電網(wǎng)絡(luò)模型檢測到的當(dāng)前迭代周期及上一迭代周期的門極觸發(fā)信號Vc [k]、VG[k-l]，判斷IGBT、反向并聯(lián)二極管FWD在當(dāng)前迭代周期所處的狀態(tài)，即導(dǎo)通、開通或 關(guān)斷狀態(tài)； 步驟三:基于當(dāng)前迭代周期流經(jīng)IGBT、FWD的電流電壓Ic[k]、VCE[k]、I F[k]、VD[k]及結(jié)溫 TTj[k]、TDj[k]，計(jì)算IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期相應(yīng)狀態(tài)的功率損耗; 步驟四：IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型綜合當(dāng)前迭代周期的功率損耗Plciss[k]及環(huán)境溫度Ta， 求解IGBT模塊溫度T[k+1]; 步驟五:如果相鄰輸出周期的溫度迭代變量滿足收斂條件，則求解計(jì)算終止，輸出IGBT 模塊的功率損SPlciss[k]和各層溫度T[k];如果相鄰輸出周期的溫度迭代變量不滿足收斂 條件，則將T[k]、Vc[k-l]分別更新為T[k+l]、Vc[k]，重復(fù)步驟二至四，直到相鄰輸出周期的 溫度迭代變量滿足收斂條件為止。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，其特征在于， 步驟二判斷IGBT、FWD在當(dāng)前迭代周期所處狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)是：3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，其特征在于， 步驟四中的IGBT模塊傳熱網(wǎng)絡(luò)模型是由IGBT模塊7階等效Cauer傳熱網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過龍格-庫塔法差分處理所得。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊溫度求解算法，其特征在于， 步驟五的收斂條件為： T[k+n]-T[k] | |〇〇<M 式中，Μ為預(yù)定精度，η為一個(gè)輸出周期的迭代計(jì)算次數(shù)。
【文檔編號】G06F17/50GK105825019SQ201610163608
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】唐波, 劉任, 吳卓, 江浩田, 孫睿
【申請人】三峽大學(xué)