[發明專利]計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法

有效

• 申請號: 201811150503.1
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN109274255B
• 公開（公告）日: 2020-03-13
• 發明（設計）人: 李輝;胡玉;王坤;鄭媚媚;姚然;胡姚剛;全瑞坤;何蓓;劉曉宇
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02M1/32
• 分類號: H02M1/32;H02J3/38
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法，其特征在于：該方法包含如下步驟：

S1：根據雜散電感導致的并聯多芯片間的動態不均流，建立IGBT模塊等效電路模型；

S2：理論推導雜散電感參數與芯片開通損耗間的數學關系；

S3：根據芯片間熱耦合對結溫分布的影響，引入等效熱耦合阻抗，建立考慮芯片間熱耦合的熱網絡模型；具體包含如下步驟：

S31：建立IGBT模塊的有限元模型，通過在單個芯片上施加單位脈沖損耗，監測該芯片及周邊芯片的穩態結溫最大值，再借助MATLAB進行曲線擬合，獲取不同芯片間距下器件自熱阻抗和耦合熱阻抗；

S32：基于傳統Foster熱網絡模型，引入等效熱耦合阻抗表征多芯片間的熱耦合，建立IGBT模塊熱網絡模型；

S4：建立考慮雜散電感影響的IGBT模塊內部動態結溫計算模型，根據溫度分布對損耗的影響，將結溫熱分布結果反饋到損耗的數學關系模型中，往復迭代獲得IGBT模塊內部各芯片間的動態結溫分布。

2.根據權利要求1所述的計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法，其特征在于：步驟S1具體包含如下步驟：

S11：構建考慮雜散電感的多芯片并聯IGBT功率模塊上、下橋臂等效電路模型；

S12：借助ANSYS軟件提取等效電路模型中的雜散電感參數，推導各支路雜散電感的感應電壓表達式，進一步分析芯片開通過程中雜散電感對電流變化率的影響。

3.根據權利要求2所述的計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法，其特征在于：步驟S2具體為：

S21：建立基于功率半導體器件開關過程物理機制的開通分段線性模型，計算開通過程中各芯片損耗，理論分析各芯片的開通損耗與電流變化率之間的關系；

S22：根據雜散電感對電流變化率的影響，進一步建立各芯片損耗與雜散電感之間的數學關系式。

4.根據權利要求3所述的計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法，其特征在于：步驟S4具體包含如下步驟：

S41：考慮IGBT功率模塊內部封裝雜散電感，基于多芯片電熱耦合理論，結合風電變流器控制策略，建立計及雜散電感影響的IGBT模態內部動態結溫計算模型；

S42：利用IGBT模塊雜散電感參數、損耗參數以及變流器運行參數，計算IGBT導通損耗和開關損耗；

S43：將損耗計算結果輸入到熱網絡模型，同時考慮溫度分布對損耗的影響，將計算所得的結溫熱分布結果反饋到損耗模型中，以此往復迭代得到IGBT模塊內部各芯片間的動態結溫分布。

5.根據權利要求2所述的計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法，其特征在于：所述步驟S12中，IGBT導通過程中，支路電流I與驅動電壓U_ge滿足：

式中，U_GE為柵極和發射極輔助端子兩端電壓，其值在任意時刻對各并聯支路芯片相同；電感矩陣L為各支路雜散電感，劃分為兩部分，一是驅動電流i_g導通路徑電感，二是功率電流i_c導通路徑電感；

上下橋臂雜散電感的感應電壓表達式為：

各芯片導通電流變化率為：

代入U_ge可得

式中，K_P為器件內部等效MOSFET管的導電系數；U_th為導通閾值電壓。

6.根據權利要求4所述的計及雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算方法，其特征在于：所述步驟S42中，開關損耗計算公式滿足：

式中，E_on(I)、E_off(I)分別為IGBT模塊負載電流等級為I下總開通損耗和總關斷損耗；K_{low_j}為芯片j開通損耗占總損耗比例系數；n為并聯芯片個數；k_j為各芯片電流變化率比值，j＝1,…,6。