[發明專利]一種IGBT模塊的結溫預測方法

有效

• 申請號: 201710338673.1
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107025364B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 王躍;周暉;王璋;尹詩媛;尹太元;段國朝
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明一種IGBT模塊的結溫預測方法，包括：1)根據模塊化多電平電路參數和短路前運行情況計算出直流雙極短路時流過IGBT電流的表達式；2)根據IGBT數據手冊擬合出導通損耗、開關能量與流過IGBT電流的關系式；3)根據IGBT的等效開關頻率和等效占空比判斷IGBT所處的開關狀態；4)根據IGBT所處的開關狀態，直流雙極短路時流過IGBT電流的表達式，以及導通損耗、開關能量與流過IGBT電流的關系式計算出IGBT的損耗值P；5)根據IGBT的損耗值P和IGBT模塊的4階Foter傳熱模型計算出IGBT結溫隨時間分布值。本發明用于針對模塊化多電平電路，通過計算預測出其不同運行條件下發生直流雙極短路時的結溫變化曲線。為主電路設計、保護設計以及散熱回路設計提供參考，提高系統的穩定性。

技術領域：

本發明屬于電力電子技術領域，具體涉及一種IGBT模塊的結溫預測方法，用于在模塊化多電平電路直流雙極短路情況下IGBT的結溫計算。

背景技術：

模塊化多電平因為其可拓展性強，輸出電平數高、諧波含量低，非常適用于高壓大電流的場合，在柔性直流輸電中有廣泛的應用。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為電路子模塊中的最重要的元件，其正常工作與否極大地影響著電路的運行的可靠性。IGBT模塊失效在很大程度上是在熱循環的影響下過熱失效，與其結溫有著直接的關系。因此，在系統未運行前模擬其運行條件預測IGBT結溫是非常必要的。

模塊化多電平電路的短路故障是具有嚴重后果的故障，而其中直流雙極短路是最嚴重的短路情況。研究直流雙極短路情況下IGBT結溫的變化曲線，可以得出不同運行條件下IGBT的熱失效時刻及故障耐受時間，對主電路設計、保護設計以及散熱回路設計都有著重大的意義。目前的結溫計算方法大多是PWM變流器中IGBT的結溫計算方法，由于模塊化多電平電路的調制方式不同，其子模塊的投切行為較復雜，開關頻率較低，故不能將其直接應用于模塊化多電平電路中。

發明內容：

本發明目的是為了提供一種IGBT模塊的結溫預測方法，用于針對模塊化多電平電路，通過計算預測出其不同運行條件下發生直流雙極短路時的結溫變化曲線。為主電路設計、保護設計以及散熱回路設計提供參考，提高系統的穩定性。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案來實現：

一種IGBT模塊的結溫預測方法，包括以下步驟：

1)根據模塊化多電平電路參數和短路前運行情況計算出直流雙極短路時流過IGBT電流的表達式；

2)根據IGBT數據手冊擬合出導通損耗、開關能量與流過IGBT電流的關系式；

3)根據IGBT的等效開關頻率和等效占空比判斷IGBT所處的開關狀態；

4)根據IGBT所處的開關狀態，直流雙極短路時流過IGBT電流的表達式，以及導通損耗、開關能量與流過IGBT電流的關系式計算出IGBT的損耗值P；

5)根據IGBT的損耗值P和IGBT模塊的4階Foter傳熱模型得出預測的時間段內IGBT結溫隨時間變化趨勢的離散曲線。

本發明進一步的改進在于，步驟1)中，直流雙極短路時流過IGBT的電流表達式如下：

其中

其中，U_dc為直流側電壓值、n為半個橋臂子模塊個數、C₀為子模塊電容容值、L_a為橋臂閥電抗器電感值、R_st為橋臂等效電阻值、L_L為直流母線等值電感值、R_L為直流母線等值電阻值、I_L為故障時刻電感電流值。

本發明進一步的改進在于，步驟2)中，導通損耗以及開關能量與流過IGBT電流I_C的關系式如下：