[發(fā)明專利]基于結(jié)溫預(yù)測(cè)的功率器件熱保護(hù)與預(yù)警方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010082613.X
• 申請(qǐng)日: 2020-02-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111293671B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張禎濱;張進(jìn);李昱;李真;高峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H02H5/04
• 分類號(hào): H02H5/04;H02H7/10;G01R31/26
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于結(jié)溫預(yù)測(cè)的功率器件熱保護(hù)與預(yù)警方法及系統(tǒng)，包括：計(jì)算功率器件內(nèi)部各層對(duì)應(yīng)的熱阻熱容，建立相應(yīng)的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型；根據(jù)最小化代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的未來(lái)n個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)變量，計(jì)算出未來(lái)n個(gè)時(shí)刻功耗，即熱流參數(shù)的變化軌跡；根據(jù)Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型以及熱流參數(shù)的變化軌跡，計(jì)算得到功率器件的結(jié)溫變化軌跡；將計(jì)算出的結(jié)溫變化軌跡與預(yù)警溫度比較，確定功率器件當(dāng)前的工作狀態(tài)。本發(fā)明能夠使得能在預(yù)測(cè)結(jié)溫達(dá)到警戒溫度的安全時(shí)間內(nèi)，提前對(duì)功率器件施加保護(hù)，確保功率器件工作在安全的溫度范圍內(nèi)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功率器件熱保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于結(jié)溫預(yù)測(cè)的功率器件熱保護(hù)與預(yù)警方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

面向新能源電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)和高性能電驅(qū)等應(yīng)用場(chǎng)合的功率電子系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在高電壓、大電流、強(qiáng)電磁干擾、時(shí)變負(fù)載、有限散熱的惡劣工況下。繁雜的工況變化使得功率器件產(chǎn)生的廢熱迥異，器件溫度也隨之大幅波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致器件之間的應(yīng)力波動(dòng)頻繁，嚴(yán)重影響器件壽命。由于構(gòu)成功率器件本體及電力變流裝置的各層材料的熱膨脹系數(shù)并不一致，波動(dòng)的溫度將使器件本體和各層材料出現(xiàn)不同的疲勞退化和磨損現(xiàn)象。如果功率器件因疲勞和磨損帶來(lái)的失效癥狀未能及時(shí)得到監(jiān)測(cè)并采取有效的處理措施，將威脅到整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。據(jù)調(diào)查,大約34％的電力變流系統(tǒng)故障是功率器件失效引起的。因此，研究功率器件的結(jié)溫估計(jì)方法與故障診斷策略對(duì)整個(gè)電力變流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有重大意義。

傳統(tǒng)的功率器件結(jié)溫測(cè)算方法是基于測(cè)算得到的器件功耗、器件殼溫和器件的封裝熱阻，利用公式T_J＝T_H+P·R_th計(jì)算器件結(jié)溫，然后在結(jié)溫超過(guò)警戒溫度之后對(duì)功率器件施加保護(hù)，式中：T_J為功率器件結(jié)溫、T_H為器件殼溫、P為器件損耗、R_th為器件的封裝熱阻。

但是，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的測(cè)算方法只能計(jì)算功率器件的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫，但實(shí)際的結(jié)溫變化軌跡要比穩(wěn)態(tài)結(jié)溫變化軌跡復(fù)雜得多。而且傳統(tǒng)的測(cè)算方法計(jì)算功率器件結(jié)溫存在滯后效應(yīng)，結(jié)溫發(fā)生變化體現(xiàn)到殼溫需要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，故結(jié)溫的實(shí)際值在很多時(shí)候會(huì)比計(jì)算值高。在實(shí)際工程中，為保證功率器件的可靠運(yùn)行，使用傳統(tǒng)的測(cè)算方法時(shí)，通常在設(shè)定結(jié)溫保護(hù)閾值時(shí)留出足夠的余量，提前對(duì)功率器件進(jìn)行保護(hù)。這樣的保護(hù)機(jī)制，無(wú)法充分發(fā)揮功率器件的物理極限，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增高、工作效率降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于結(jié)溫預(yù)測(cè)的功率器件熱保護(hù)與預(yù)警方法及系統(tǒng)，結(jié)合功率器件功耗變化軌跡和相應(yīng)的Cauer熱阻-熱容網(wǎng)絡(luò)模型，不僅可以預(yù)測(cè)功率器件在未來(lái)一段時(shí)間的結(jié)溫變化軌跡，還可以得到功率器件結(jié)溫到達(dá)警戒溫度的時(shí)刻；在功率器件結(jié)溫到達(dá)警戒溫度的安全時(shí)間長(zhǎng)度之前對(duì)功率器件施加保護(hù)。

在一些實(shí)施方式中，采用如下技術(shù)方案：

一種基于結(jié)溫預(yù)測(cè)的功率器件熱保護(hù)與預(yù)警方法，包括：

計(jì)算功率器件內(nèi)部各層對(duì)應(yīng)的熱阻熱容，建立相應(yīng)的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型；

根據(jù)最小化代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的未來(lái)n個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)變量，計(jì)算出未來(lái)n個(gè)時(shí)刻功耗，即熱流參數(shù)的變化軌跡；

根據(jù)Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型以及熱流參數(shù)的變化軌跡，計(jì)算得到功率器件的結(jié)溫變化軌跡；

將計(jì)算出的結(jié)溫變化軌跡與預(yù)警溫度比較，確定功率器件當(dāng)前的工作狀態(tài)。

如果結(jié)溫變化軌跡沒(méi)有超過(guò)預(yù)警溫度，將最小化代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)狀態(tài)應(yīng)用到功率變換器，繼續(xù)正常工作；

如果結(jié)溫變化軌跡在警戒時(shí)間外超過(guò)預(yù)警溫度，則提前預(yù)警超過(guò)預(yù)警溫度的時(shí)刻，但仍將最小化代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)狀態(tài)應(yīng)用到功率變換器；