[發(fā)明專利]基于最小二乘法的功率模塊熱網絡模型參數辨識方法

有效

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• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111507031B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發(fā)明（設計）人: 馬銘遙;郭偉生;嚴雪松;楊淑英;張興
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/18;G06F111/02;G06F119/08
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種基于最小二乘法的功率模塊熱網絡模型參數辨識方法，所述熱網絡模型包括13個溫度結點、4個輸入損耗電流源、20個熱導和12個熱容；所述13個溫度結點記為溫度結點N_i，i為溫度結點的序號，i＝1，2…13，溫度結點N_i的溫度記為溫度T_i，i＝1，2…13；所述20個熱導記為熱導G_j，j為熱導的序號，j＝1,2...20；所述12個熱容記為熱容C_k，k為熱容的序號，k＝1，2…12；所述4個輸入損耗電流源分別記為輸入損耗電流源P₁、輸入損耗電流源P₂、輸入損耗電流源P₃和輸入損耗電流源P₄；

所述熱網絡模型為三維Cauer熱網絡結構，分為4層，溫度結點N₁、溫度結點N₂、溫度結點N₃和溫度結點N₄處于第1層，溫度結點N₅、溫度結點N₆、溫度結點N₇和溫度結點N₈處于第2層，溫度結點N₉、溫度結點N₁₀、溫度結點N₁₁和溫度結點N₁₂處于第3層，溫度結點N₁₃處于第4層；溫度結點N₁、溫度結點N₅和溫度結點N₉在空間垂直方向上對齊，溫度結點N₂、溫度結點N₆和溫度結點N₁₀在空間垂直方向上對齊，溫度結點N₃、溫度結點N₇和溫度結點N₁₁在空間垂直方向上對齊，溫度結點N₄、溫度結點N₈和溫度結點N₁₂在空間垂直方向上對齊；

熱導G₁設置在溫度結點N₁與溫度結點N₅之間，熱導G₂設置在溫度結點N₂與溫度結點N₆之間，熱導G₃設置在溫度結點N₃與溫度結點N₇之間，熱導G₄設置在溫度結點N₄與溫度結點N₈之間，熱導G₅設置在溫度結點N₅與溫度結點N₈之間，熱導G₆設置在溫度結點N₅與溫度結點N₆之間，熱導G₇設置在溫度結點N₆與溫度結點N₇之間，熱導G₈設置在溫度結點N₇與溫度結點N₈之間，熱導G₉設置在溫度結點N₅與溫度結點N₉之間，熱導G₁₀設置在溫度結點N₆與溫度結點N₁₀之間，熱導G₁₁設置在溫度結點N₇與溫度結點N₁₁之間，熱導G₁₂設置在溫度結點N₈與溫度結點N₁₂之間，熱導G₁₃設置在溫度結點N₉與溫度結點N₁₂之間，熱導G₁₄設置在溫度結點N₉與溫度結點N₁₀之間，熱導G₁₅設置在溫度結點N₁₀與溫度結點N₁₁之間，熱導G₁₆設置在溫度結點N₁₁與溫度結點N₁₂之間，熱導G₁₇設置在溫度結點N₉與溫度結點N₁₃之間，熱導G₁₈設置在溫度結點N₁₀與溫度結點N₁₃之間，熱導G₁₉設置在溫度結點N₁₁與溫度結點N₁₃之間，熱導G₂₀設置在溫度結點N₁₂與溫度結點N₁₃之間；

熱容C₁、熱容C₂、熱容C₃、熱容C₄、熱容C₅、熱容C₆、熱容C₇、熱容C₈、熱容C₉、熱容C₁₀、熱容C₁₁、熱容C₁₂的一端分別相應地與溫度結點N₁、溫度結點N₂、溫度結點N₃、溫度結點N₄、溫度結點N₅、溫度結點N₆、溫度結點N₇、溫度結點N₈、溫度結點N₉、溫度結點N₁₀、溫度結點N₁₁、溫度結點N₁₂相連接，另一端接地；輸入損耗電流源P₁、輸入損耗電流源P₂、輸入損耗電流源P₃、輸入損耗電流源P₄的一端分別相應地與溫度結點N₁、溫度結點N₂、溫度結點N₃、溫度結點N₄相連接，另一端接地；

其特征在于，所述辨識方法的步驟如下：

步驟1，搭建功率模塊的有限元仿真模型

采樣功率模塊的物理尺寸，并根據該物理尺寸搭建包括液冷散熱系統的功率模塊的有限元仿真模型S；所述有限元仿真模型S包括8層，從上至下順序為芯片層、芯片焊料層、上銅層、陶瓷層、下銅層、基板焊料層、散熱基板層和液冷層；所述芯片層由2個IGBT芯片和2個Diode芯片組成，2個IGBT芯片分別記為芯片X₁和芯片X₃，2個Diode芯片分別記為芯片X₂和芯片X₄；

在有限元仿真模型S中共設12個溫度監(jiān)測點，將其中任意一個記為溫度監(jiān)測點M_m，m為溫度監(jiān)測點的序號，m＝1,2...12；其中，溫度監(jiān)測點M₁設在芯片X₁的中心位置，溫度監(jiān)測點M₂設在芯片X₂的中心位置，溫度監(jiān)測點M₃設在芯片X₃的中心位置，溫度監(jiān)測點M₄設在芯片X₄的中心位置；溫度監(jiān)測點M₅、溫度監(jiān)測點M₆、溫度監(jiān)測點M₇和溫度監(jiān)測點M₈設在上銅層，溫度監(jiān)測點M₉、溫度監(jiān)測點M₁₀、溫度監(jiān)測點M₁₁和溫度監(jiān)測點M₁₂設在基板焊料層；溫度監(jiān)測點M₅、溫度監(jiān)測點M₉在空間垂直方向上與溫度監(jiān)測點M₁對齊，溫度監(jiān)測點M₆、溫度監(jiān)測點M₁₀在空間垂直方向上與溫度監(jiān)測點M₂對齊，溫度監(jiān)測點M₇、溫度監(jiān)測點M₁₁在空間垂直方向上與溫度監(jiān)測點M₃對齊，溫度監(jiān)測點M₈、溫度監(jiān)測點M₁₂在空間垂直方向上與溫度監(jiān)測點M₄對齊；

設置液冷層流速V、液冷層溫度Y、仿真終止時間T_sim和對數均勻仿真步長T_step；

步驟2，有限元仿真模型仿真實驗

仿真實驗1，設置芯片X₁的損耗輸入P_X1為幅值A的階躍功率，芯片X₂的損耗輸入P_X2為0，芯片X₃的損耗輸入P_X3為0，芯片X₄的損耗輸入P_X4為0，仿真獲取溫度監(jiān)測點M_m的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解記錄溫度監(jiān)測點M_m的穩(wěn)態(tài)溫度得到仿真實驗1的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣和仿真實驗1對應的熱網絡模型的損耗矩陣U¹，和U¹的表達式如下：

U¹＝[A 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -A]^T

仿真實驗2，設置芯片X₂的損耗輸入P_X2為幅值A的階躍功率，芯片X₁的損耗輸入P_X1為0，芯片X₃的損耗輸入P_X3為0，芯片X₄的損耗輸入P_X4為0，仿真獲取溫度監(jiān)測點M_m的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解記錄溫度監(jiān)測點M_m的穩(wěn)態(tài)溫度得到仿真實驗2的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣和仿真實驗2對應的熱網絡模型的損耗矩陣U²，和U²的表達式如下：

U²＝[0 A 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -A]^T

仿真實驗3，設置芯片X₃的損耗輸入P_X3為幅值A的階躍功率，芯片X₁的損耗輸入P_X1為0，芯片X₂的損耗輸入P_X2為0，芯片X₄的損耗輸入P_X4為0，仿真獲取溫度監(jiān)測點M_m的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解記錄溫度監(jiān)測點M_m的穩(wěn)態(tài)溫度得到仿真實驗3的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣和仿真實驗3對應的熱網絡模型的損耗矩陣U³，和U³的表達式如下：

U³＝[0 0 A 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -A]^T

仿真實驗4，設置芯片X₄的損耗輸入P_X4為幅值A的階躍功率，芯片X₁的損耗輸入P_X1為0，芯片X₂的損耗輸入P_X2為0，芯片X₃的損耗輸入P_X3為0，仿真獲取溫度監(jiān)測點M_m的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解記錄溫度監(jiān)測點M_m的穩(wěn)態(tài)溫度得到仿真實驗4的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣和仿真實驗4對應的熱網絡模型的損耗矩陣U⁴，和U⁴的表達式如下：

U¹＝[0 0 0 A 0 0 0 0 0 0 0 0 -A]^T

其中，仿真實驗1對應的熱網絡模型的損耗矩陣U¹、仿真實驗2對應的熱網絡模型的損耗矩陣U²、仿真實驗3對應的熱網絡模型的損耗矩陣U³、仿真實驗4對應的熱網絡模型的損耗矩陣U⁴中的各個元素與熱網絡模型的溫度結點N_i的溫度T_i一一對應，i＝1,2,...13；

步驟3，計算熱網絡模型的熱導

熱網絡模型用常微分方程組描述，表達式如下：

其中，

T為13個溫度構成的溫度矩陣，其表達式為：

T＝[T₁ T₂ T₃ T₄ T₅ T₆ T₇ T₈ T₉ T₁₀ T₁₁ T₁₂ T₁₃]^T

P為熱網絡模型的損耗矩陣，其表達式為：

P＝[P₁ P₂ P₃ P₄ 0 0 0 0 0 0 0 0 -(P₁+P₂+P₃+P₄)]^T；

C為12個熱容構成的熱容矩陣，其表達式為：

G為與20個熱導對應的熱導矩陣，其表達式為：

當熱網絡模型的溫度結點N_i的溫度T_i達到穩(wěn)態(tài)時，式(1)簡化為：

GT＝P (2)

令仿真實驗1的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣仿真實驗1對應的熱網絡模型的損耗矩陣U¹、仿真實驗2的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣仿真實驗2對應的熱網絡模型的損耗矩陣U²、仿真實驗3的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣仿真實驗3對應的熱網絡模型的損耗矩陣U³、仿真實驗4的穩(wěn)態(tài)溫度矩陣和仿真實驗4對應的熱網絡模型的損耗矩陣U⁴滿足以下超定方程組：

利用最小二乘法原理求解超定方程組(3)，得到熱網絡模型的熱導G_j，j＝1,2,...20；

步驟4 ，辨識熱網絡模型的熱容

(1)辨識熱容C₁

對于溫度結點N₁，令其滿足以下關系式：

將步驟2仿真獲取的溫度監(jiān)測點M₁的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解T₁¹(t)賦值給溫度結點N₁的溫度T₁、溫度監(jiān)測點M₅的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₅的溫度T₅，并令P₁＝Au(t)，其中u(t)為單位階躍函數；

基于最小二乘法辨識出關系式(4)的熱容C₁；

(2)辨識熱容C₂

對于熱網絡模型的溫度結點N₂，令其滿足以下關系式：

將步驟2仿真獲取的溫度監(jiān)測點M₂的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₂的溫度T₂、溫度監(jiān)測點M₆的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₆的溫度T₆，并令P₂＝Au(t)，其中u(t)為單位階躍函數；

基于最小二乘法辨識出關系式(5)的熱容C₂；

(3)辨識熱容C₅

對于熱網絡模型的溫度結點N₅，令其滿足以下關系式：

將步驟2仿真獲取的溫度監(jiān)測點M₁的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解T₁¹(t)賦值給溫度結點N₁的溫度T₁、溫度監(jiān)測點M₅的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₅的溫度T₅、溫度監(jiān)測點M₆的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₆的溫度T₆、溫度監(jiān)測點M₈的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₈的溫度T₈、溫度監(jiān)測點M₉的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₉的溫度T₉；

基于最小二乘法辨識出關系式(6)的熱容C₅；

(4)辨識熱容C₆

對于熱網絡模型的溫度結點N₆，令其滿足以下關系式：

將步驟2仿真獲取的溫度監(jiān)測點M₂的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₂的溫度T₂、溫度監(jiān)測點M₅的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₅的溫度T₅、溫度監(jiān)測點M₆的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₆的溫度T₆、溫度監(jiān)測點M₇的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₇的溫度T₇、溫度監(jiān)測點M₁₀的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₁₀的溫度T₁₀；

基于最小二乘法辨識出關系式(7)的熱容C₆；

(5)辨識熱容C₉

對于熱網絡模型的溫度結點N₉，令其滿足以下關系式：

將步驟2仿真獲取的溫度監(jiān)測點M₅的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₅的溫度T₅、溫度監(jiān)測點M₉的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₉的溫度T₉、溫度監(jiān)測點M₁₀的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₁₀的溫度T₁₀、溫度監(jiān)測點M₁₂的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₁₂的溫度T₁₂；

基于最小二乘法辨識出關系式(8)的熱容C₉；

(6)辨識熱容C₁₀

對于熱網絡模型的溫度結點N₁₀，令其滿足以下關系式：

將步驟2仿真獲取的溫度監(jiān)測點M₆的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₆的溫度T₆、溫度監(jiān)測點M₉的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₉的溫度T₉、溫度監(jiān)測點M₁₀的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₁₀的溫度T₁₀、溫度監(jiān)測點M₁₁的瞬態(tài)溫度隨仿真時間t變化的數值解賦值給溫度結點N₁₁的溫度T₁₁；

基于最小二乘法辨識出關系式(9)的熱容C₁₀；

令C₃＝C₁，C₄＝C₂，C₇＝C₅，C₈＝C₆，C₁₁＝C₉，C₁₂＝C₁₀，辨識出12個熱容。