[發明專利]一種用于IGBT結溫估計的優化功率損耗等效建模方法

有效

• 申請號: 202011239147.8
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112329244B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 葛興來;張藝馳;肖秀陳;馮曉云;茍斌;宋文勝
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/02;G06F119/08
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 舒啟龍

本發明公開了一種用于IGBT結溫估計的優化功率損耗等效建模方法，具體為：采集計算功率損耗所需的外部變量，計算出單個基波周期內的平均損耗，然后轉換為半正弦損耗；對半正弦損耗曲線進行一階方波等效，結合熱網絡模型，計算出穩態基波周期的初始結溫值；將半正弦損耗曲線進行離散化處理，結合熱網絡模型和初始結溫值，推導出單個穩態基波周期內任意時間點的結溫表達式；對結溫表達式進行求導，獲取最大、最小結溫時間點，基于等面積定則對半正弦損耗進行離散等效；計算出離散后的矩形脈沖損耗值，并將其代入熱網絡模型中，計算出IGBT的結溫。本發明使得功率損耗的離散更加合理，估計的結溫更加精確，同時可有效降低結溫估計中的計算量。

技術領域

本發明屬于電力電子變流器中功率半導體的可靠性評估技術領域，具體涉及一種用于IGBT結溫估計的優化功率損耗等效建模方法。

背景技術

在電力電子變流器系統中，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)以其優良的電能轉換性能被廣泛應用于眾多工業領域，但實際運用中，由于惡劣的運行環境和頻繁的工況變化，IGBT模塊會隨著時間的推移不斷出現老化及損壞。相關研究表明：溫度波動是影響IGBT模塊可靠性最關鍵的因素，且目前針對變流器IGBT模塊的可靠性評估主要基于結溫進行，因此準確的結溫估計是可靠性分析的關鍵步驟。

對于結溫計算，功率損耗的等效建模至關重要，因為其不僅關系到結溫估計的精度，同時也會影響結溫估計的計算量。近年來，提出了一些功率損耗等效建模方法。ArendtWintrich U N，Tursky W使用一階方波來等效單個基波周期內的實際功率損耗，其可以實現較小計算量，但結溫波動的估計誤差較大，尤其在較低的基波頻率下。為了降低估計誤差，Ma K，Bahman AS，Beczkowski S等人提出一種兩級功率損耗等效模型，實現較好的結溫估計，但未考慮更廣泛的基波頻率的結溫估計效果。Zhang Y，Wang H，Wang Z等人提出了一種功率損耗建模的方法，利用不同矩形脈沖波的數量(離散級數)來平衡結溫估計誤差和計算負擔。

現有的功率損耗建模方法多采用基于1/4基波周期時間點的等距劃分準則，其估計最大結溫發生時間點會隨著離散水平變化而變化，且在基波周期內不存在最小結溫，這與實際中結溫曲線特性不相符，并進一步導致結溫的估計誤差較大且計算量較高。

發明內容

為克服上述缺陷，本發明提供一種用于IGBT結溫估計的優化功率損耗等效建模方法。

本發明的一種用于IGBT結溫估計的優化功率損耗等效建模方法，包括以下步驟：

步驟1：采集計算功率損耗所需的外部變量，計算出單個基波周期內的平均損耗，然后根據公式(1)，將平均損耗轉換為半正弦損耗；

P_{sin_peak}＝π·P_average (1)

式中：P_average為平均損耗值，P_{sin_peak}為半正弦損耗的峰值。

對于IGBT的平均損耗，其主要包括導通損耗P_conduct和開關損耗P_switching，對于導通損耗計算：

式中：I_IGBT為變流器輸出正弦電流的有效值，M_d為調制度，為功率因數；V_s(T_j)為一定結溫下的閾值電壓，R(T_j)為一定結溫下的導通電阻，兩者均可以從實際使用的IGBT數據手冊中獲取。

對于開關損耗，