[發明專利]電機控制器中功率元件IGBT結溫的估算方法

有效

• 申請號: 201811459039.4
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109597966B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 陳雙;王雙全;黃洪劍
• 申請（專利權）人: 上海大郡動力控制技術有限公司
• 主分類號: G06F17/17
• 分類號: G06F17/17;G01N25/20;G01R31/26;G01K7/22
• 代理公司: 上海天協和誠知識產權代理事務所 31216
• 代理人: 沈國良

1.一種電機控制器中功率元件IGBT結溫的估算方法，其特征在于本方法包括如下步驟：

步驟一、IGBT結溫T_j與飽和壓降Vce的關系曲線提取，電流源經二極管提供IGBT電流，IGBT的基極與集電極短接，通過電壓測量設備測量IGBT的飽和壓降V_ce，IGBT放置在溫控箱內，通過調節溫控箱的溫度給IGBT加熱，同時記錄不同溫度下對應的飽和壓降V_ce，擬合成一條直線：

T_j＝k×V_ce+b (1)

其中，k和b分別為直線的斜率和截距；

步驟二、IGBT瞬態熱阻抗曲線的提取，采用小電流源和大電流源分別經二極管提供IGBT電流，其中大電流源的輸出電流為遠大于小電流源的某一恒定值，IGBT的基極和集電極短接，通過電壓測量設備測量IGBT的飽和壓降V_ce；

將待測IGBT固定于設有熱敏電阻的散熱器并放置于系統冷卻水道上，開通大電流源和小電流源，并維持一段時間待IGBT結溫達到穩定，記錄此時的IGBT電流I和飽和壓降V_ce，并計算得到此時IGBT的損耗功率P_loss＝I×V_ce；

斷開大電流源，讓IGBT結溫自然降低至穩定狀態，同時用電壓測量設備記錄此過程中的飽和壓降V_ce和熱敏電阻測量得到的溫度T_ntc，此時，采用式(1)中已測得的結溫T_j與飽和壓降V_ce的關系曲線和實際測到的飽和壓降V_ce值推算出此過程中的結溫T_j的曲線，通過下式：

推算出IGBT的瞬態熱阻抗曲線Z_j-ntc；

步驟三、IGBT瞬態熱阻抗數學模型的建立，該模型的等效電路由四組并聯的等效熱阻和等效熱容串聯而成，IGBT結溫T_j時的損耗功率P(t)經等效電路后溫度為熱敏電阻測量到的溫度T_ntc，然后降低至環境溫度T_a，單組并聯的等效熱阻和等效熱容的瞬態熱阻抗數學表達式為：

則總的瞬態熱阻抗數學表達式為各串聯部分的總和：

其中，τ_i＝R_iC_i，R_i為等效熱阻值，C_i為等效熱容值，i＝1,2,3,4；

根據式(2)的IGBT的瞬態熱阻抗曲線和式(4)的瞬態熱阻抗數學表達式，采用曲線擬合工具，得到瞬態熱阻抗數學模型中各等效熱阻R_i和等效熱容C_i的數值；

根據瞬態熱阻抗等效電路，推導出瞬態熱阻抗數學模型的傳遞函數：

其中，ΔT_j為IGBT結溫的變化量，P為IGBT損耗功率，s為傳遞函數中的拉普拉斯算子；

步驟四、IGBT損耗功率的計算，IGBT的損耗功率分為兩部分，通態損耗P_cond和開關損耗P_sw，其中開關損耗分為開通損耗P_{sw_on}和關斷損耗P_{sw_off}，則IGBT的損耗功率為：

P＝P_cond+P_{sw_on}+P_{sw_off} (6)

在一個PWM周期內，平均通態損耗P_cond的計算公式如下：

P_cond＝I_c×V_ce×D (7)

其中，I_c是流過IGBT集電極的電流，通過電流傳感器實時測量得到，V_ce是IGBT的飽和壓降，通過IGBT數據手冊得到，D是IGBT的PWM驅動占空比；

在一個PWM周期內，平均開關損耗P_sw的計算公式如下：

P_sw＝f_pwm×(E_on+E_off)×V_dc/V_{dc_norm} (8)

其中，f_pwm為PWM的頻率，E_on和E_off為開通能量損耗和關斷能量損耗，通過IGBT數據手冊得到，V_dc為實際中母線電壓，V_{dc_norm}為IGBT數據手冊中E_on和E_off的測試電壓；

步驟五、IGBT的結溫估算，其計算公式如下：

T_j＝ΔT_j+T_ntc (9)

其中，T_ntc為采用熱敏電阻測量得到的溫度，ΔT_j通過式(5)變換得到：

其中，R_i和τ_i在步驟三中通過曲線擬合工具得到，從而得到IGBT瞬時結溫T_j。