[發明專利]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

• 申請號: 202010216020.8
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111507031B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（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

本發明公開了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。該發明提出的熱網絡參數辨識方法，利用若干組有限元模型仿真結果，基于最小二乘法原理計算熱網絡模型的熱導和辨識熱網絡模型的熱容。本發明的熱網路模型參數辨識方法原理簡單，提取出的熱網絡模型精度高，可以應用于芯片溫度的在線計算和長時間尺度的芯片溫度計算。

技術領域

本發明涉及功率模塊熱網絡模型參數辨識方法，具體是涉及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。

背景技術

工業研究表明，功率模塊是電力電子系統中最薄弱的部件。約55％的功率模塊失效是由溫度因素誘發的。功率模塊的芯片溫度估計是進行壽命預測，可靠性評估的基礎。熱網絡模型由于容易嵌入數字信號處理器中，不需要設計額外的硬件電路而在工業上廣泛應用于功率模塊的芯片溫度預測和估計。有限元仿真模型經常被用于預測芯片溫度，有限元仿真模型的仿真結果精度高但是仿真過程耗時，不適合用于芯片溫度的在線計算和長時間尺度的芯片溫度估算。因此，在犧牲一定精度情況下，需要從功率模塊的有限元模型中提取一個降階的熱網絡模型。

目前，提取降階的熱網絡模型已經成為功率模塊可靠運行技術的研究熱點問題，這既有學術論文對此做了深入的理論分析，也有實際應用的工程方法，如發明專利《一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置》(CN 102930096 B)和《基于IGBT結溫信息的熱網絡參數辨識方法》(CN 105718694 B)。其中，

中國發明專利說明書CN 102930096 B于2014年11月29日公開的《一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置》，是先獲取電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型；再根據有限元體積模型獲取對流換熱系數分布，并將對流換熱系數分布映射到初始有限元模型上形成新的有限元模型；接著對新的有限元模型進行降階處理，以得到降階處理后的降階模型。但是這種獲取降階的仿真模型的方法存在以下不足之處：

1)實現過程中涉及到初始有限元模型，有限元體積模型和新的有限元模型，且存在兩次映射操作，提取降階模型的操作復雜；

2)初始有限元模型包括散熱系統，新的有限元模型以對流換熱系數來模型實際的散熱系統，這會造成提取的降階模型存在較大的誤差。

中國發明專利說明書CN 105718694 B于2019年2月19日公開的《基于IGBT結溫信息的熱網絡參數辨識方法》，首先建立等效熱網絡模型，改變熱網絡中任意一組可測的熱阻和熱容，建立兩組不同的IGBT熱網絡參數約束方程；然后測量等效零輸入狀態下的熱阻和熱容改變前后的兩條降溫曲線，獲取兩組時間常數；最后利用IGBT熱網絡參數的約束方程獲取IGBT的熱網絡參數。但是這種熱網絡參數辨識存在以下不足:

1)提取的熱網絡模型不考慮芯片間的熱耦合效應，不適用于多芯片功率模塊的溫度估計；

2)實現過程中涉及到的一組可測的熱阻和熱容并沒有具體說明是如何測量的。

發明內容

本發明要解決的問題為上述方案的不足，即提供一種簡單的、準確的功率模塊熱網絡模型參數辨識方法。本發明通過如下技術方案實現：

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；