确定电压型逆变器IGBT模块结温的方法及设备与流程
本发明实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种确定电压型逆变器igbt模块结温的方法及设备。
背景技术：
在电力电子系统可靠性调研报告中，功率器件是系统中失效率最大的部件，约占34％。在各类失效因素中，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。因而为了避免功率模块的严重性能退化甚至是永久失效，实时获取功率模块的最大运行结温和结温波动就非常有必要了。然而，目前对模块运行结温的在线提取和检测普遍存在一系列问题。物理接触法通过热敏电阻或热电偶直接接触芯片表面来测量温度，需要改变模块封装，不便推广使用。光学非接触式测量法只能得到模块外表特定时刻的温度，并且在测量时需要打开模块封装，属于破坏性测量方法，不能在产品中使用。温敏参数法利用开关特性等温度敏感参数与结温的关系来推算结温，需要设计专门的测量电路，系统控制难度大，测量精度低。因此，通过igbt模块建立结温预测模型是间接评估期间运行中结温变化最有效的途径。但目前的研究大多数都是通过有限元分析方法对igbt模块的热传导过程进行建模，需要详细的器件结构参数，且很难用于不同工况下的igbt结温在线计算。
目前较为常规的结温在线计算方法，基于输出周期平均损耗和平均结温模型，计算igbt模块的平均结温。这种方法不能计算输出周期内的结温，只适用于基波频率较高的场合。还有一种结温计算方法是基于输出周期平均损耗和瞬态结温模型，可以在线计算得到瞬时结温。但如果需要逆变器所有芯片的瞬时结温，需要计算6个igbt芯片瞬时结温和6个二极管芯片瞬时结温，计算工作量非常大，难以在既有平台上实现。当然也可以认为三相输出平衡，认为6个模块结温温度一致，只计算1个igbt芯片瞬时结温和1个二极管芯片瞬时结温。这种方案在输出频率较低甚至输出直流时，计算误差很大，不能忽略。
基于上述情况，找到一种可以通过少量的计算得到逆变器各个模块的最大结温，整个计算量相对常规计算方法大幅度减小，计算精度能满足工程使用要求，可以方便地在常用的逆变器控制平台上实现的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，就成为业界亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种确定电压型逆变器igbt模块结温的方法及设备。
第一方面，本发明的实施例提供了一种确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，包括：根据igbt模块的损耗参数、热阻参数和工作参数，获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，结合输出频率修正系数，获取修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗；根据所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，结合简化的igbt结-壳foster网络热阻模型和二极管结-壳foster网络热阻模型，获取igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升；根据散热器温度、igbt的开关损耗和导通损耗、二极管的开关损耗和导通损耗、igbt壳-散热器热阻、二极管壳-散热器热阻、igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升，获取igbt最大结温和二极管最大结温；其中，所述igbt最大结温和二极管最大结温，共同构成电压型逆变器igbt模块的最大结温，igbt和二极管共同构成igbt模块。
进一步地，所述igbt模块的损耗参数，包括：额定电流下的igbt单位开关损耗、二极管单位恢复损耗、二极管开关损耗电压关系指数参数、二极管反向恢复损耗的电流关系指数参数、igbt模块的额定工作电压和额定电流。
进一步地，所述热阻参数，包括：igbt的结-壳foster网络热阻模型，二极管的结-壳foster网络热阻模型，igbt的结-壳foster网络热阻模型的简化参数，二极管的结-壳foster网络热阻模型的简化参数，igbt壳-散热器热阻和二极管壳-散热器热阻。
进一步地，所述工作参数，包括：直流电压、输出电流、输出频率、开关频率、调制系数、功率因数和散热器温度。
进一步地，所述获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，包括：
其中，pcon_i为igbt的导通损耗，m为调制系数，
进一步地，所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，包括：
其中，pigbt为修正后的igbt损耗，kf_out1和kf_out2为输出频率修正系数,fout为输出频率，pfwd为修正后的二极管损耗。
进一步地，所述igbt最大结温和二极管最大结温，包括：
tjmax_igbt＝ths+(pcon_i+psw_i)·rcs_i+δtjc_igbt
tjmax_fwd＝ths+(pcon_d+psw_d)·rcs_d+δtjc_fwd
其中，tjmax_igbt为igbt最大结温，tjmax_fwd为二极管最大结温，ths为散热器温度，rcs_i为igbt壳-散热器热阻，rcs_d为二极管壳-散热器热阻，δtjc_igbt为igbt最大结-壳温升，δtjc_fwd为二极管最大结-壳温升，rjc_i、kjc_i1和kjc_i2为igbt的结-壳foster网络热阻模型的简化参数，rjc_d、kjc_d1和kjc_d2二极管的结-壳foster网络热阻模型的简化参数。
第二方面，本发明的实施例提供了一种确定电压型逆变器igbt模块结温的装置，包括：
修正后损耗获取模块，用于根据igbt模块的损耗参数、热阻参数和工作参数，获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，结合输出频率修正系数，获取修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗；
最大结-壳温升获取模块，用于根据所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，结合简化的igbt结-壳foster网络热阻模型和二极管结-壳foster网络热阻模型，获取igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升；
最大结温获取模块，用于根据散热器温度、igbt的开关损耗和导通损耗、二极管的开关损耗和导通损耗、igbt壳-散热器热阻、二极管壳-散热器热阻、igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升，获取igbt最大结温和二极管最大结温；
其中，所述igbt最大结温和二极管最大结温，共同构成电压型逆变器igbt模块的最大结温，igbt和二极管共同构成igbt模块。
第三方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法。
第四方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法。
本发明实施例提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法及设备，通过采用igbt模块的数据获取其损耗及热网络模型参数，结合逆变器的实时运行参数，计算igbt模块内igbt和二极管芯片的损耗，同时计算损耗修正系数，再基于结-壳foster网络热阻模型，得到逆变器各个芯片的最大结温，可以实时准确得到逆变器各功率器件的最大结温，有利于igbt模块的状态监测和健康管理，降低逆变器失效风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的计算最大结温与理论最大结温对比示意图；
图3为本发明实施例提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的装置结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明实施例提供了一种确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，参见图1，该方法包括：
101、根据igbt模块的损耗参数、热阻参数和工作参数，获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，结合输出频率修正系数，获取修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗；
102、根据所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，结合简化的igbt结-壳foster网络热阻模型和二极管结-壳foster网络热阻模型，获取igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升；
103、根据散热器温度、igbt的开关损耗和导通损耗、二极管的开关损耗和导通损耗、igbt壳-散热器热阻、二极管壳-散热器热阻、igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升，获取igbt最大结温和二极管最大结温。
其中，所述igbt最大结温和二极管最大结温，共同构成电压型逆变器igbt模块的最大结温，igbt和二极管共同构成igbt模块。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，所述igbt模块的损耗参数，包括：额定电流下的igbt单位开关损耗、二极管单位恢复损耗、二极管开关损耗电压关系指数参数、二极管反向恢复损耗的电流关系指数参数、igbt模块的额定工作电压和额定电流。具体地，根据实际应用条件来获取igbt和二极管在125℃下的饱和压降vce0、vt0和通态电阻rce、rf，获取额定电流下的igbt的单位开关损耗eon+off和二极管的单位恢复损耗erec，开关损耗电压关系指数参数kv(可以为1.3～1.4)，二极管反向恢复损耗的电流关系指数参数ki(可以为0.6)，获取igbt模块的额定工作电压vn和额定电流in。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，所述热阻参数，包括：igbt的结-壳foster网络热阻模型，二极管的结-壳foster网络热阻模型，igbt的结-壳foster网络热阻模型的简化参数(包括rjc_i、kjc_i1和kjc_i2)，二极管的结-壳foster网络热阻模型的简化参数(包括rjc_d、kjc_d1和kjc_d2)，igbt壳-散热器热阻(rcs_i)和二极管壳-散热器热阻(rcs_d)。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，所述工作参数，包括：直流电压(vdc)、输出电流(iout)、输出频率(fout)、开关频率(fsw)、调制系数(m)、功率因数
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，所述获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，包括：
其中，pcon_i为igbt的导通损耗，m为调制系数，
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，包括：
其中，pigbt为修正后的igbt损耗，kf_out1和kf_out2为输出频率修正系数,fout为输出频率，pfwd为修正后的二极管损耗。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，所述igbt最大结温和二极管最大结温，包括：
tjmax_igbt＝ths+(pcon_i+psw_i)·rcs_i+δtjc_igbt
tjmax_fwd＝ths+(pcon_d+psw_d)·rcs_d+δtjc_fwd
其中，tjmax_igbt为igbt最大结温，tjmax_fwd为二极管最大结温，ths为散热器温度，rcs_i为igbt壳-散热器热阻，rcs_d为二极管壳-散热器热阻，δtjc_igbt为igbt最大结-壳温升，δtjc_fwd为二极管最大结-壳温升，rjc_i、kjc_i1和kjc_i2为igbt的结-壳foster网络热阻模型的简化参数，rjc_d、kjc_d1和kjc_d2二极管的结-壳foster网络热阻模型的简化参数。
本发明实施例提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法，通过采用igbt模块的数据获取其损耗及热网络模型参数，结合逆变器的实时运行参数，计算igbt模块内igbt和二极管芯片的损耗，同时计算损耗修正系数，再基于结-壳foster网络热阻模型，得到逆变器各个芯片的最大结温，可以实时准确得到逆变器各功率器件的最大结温，有利于igbt模块的状态监测和健康管理，降低逆变器失效风险。
本发明各个实施例的最大结温确定的效果如图2所示，图2中包括本发明实施例提供的最大结温曲线201、第一igbt结温变化曲线202、第二igbt结温变化曲线203、第三igbt结温变化曲线204、第四igbt结温变化曲线205、第五igbt结温变化曲线206和第六igbt结温变化曲线207。由图2中可见，在六条igbt结温变化曲线中，第一igbt结温变化曲线202具有最大的结温温度，而本发明实施例提供的最大结温曲线201与第一igbt结温变化曲线202的误差不超过2℃，完全满足实际应用需求。
本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种确定电压型逆变器igbt模块结温的装置，该装置用于执行上述方法实施例中的确定电压型逆变器igbt模块结温的方法。参见图3，该装置包括：
修正后损耗获取模块301，用于根据igbt模块的损耗参数、热阻参数和工作参数，获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，结合输出频率修正系数，获取修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗；
最大结-壳温升获取模块302，用于根据所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，结合简化的igbt结-壳foster网络热阻模型和二极管结-壳foster网络热阻模型，获取igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升；
最大结温获取模块303，用于根据散热器温度、igbt的开关损耗和导通损耗、二极管的开关损耗和导通损耗、igbt壳-散热器热阻、二极管壳-散热器热阻、igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升，获取igbt最大结温和二极管最大结温；
其中，所述igbt最大结温和二极管最大结温，共同构成电压型逆变器igbt模块的最大结温，igbt和二极管共同构成igbt模块。
本发明实施例提供的确定电压型逆变器igbt模块结温的装置，通过采用igbt模块的数据获取其损耗及热网络模型参数，结合逆变器的实时运行参数，计算igbt模块内igbt和二极管芯片的损耗，同时计算损耗修正系数，再基于结-壳foster网络热阻模型，得到逆变器各个芯片的最大结温，可以实时准确得到逆变器各功率器件的最大结温，有利于igbt模块的状态监测和健康管理，降低逆变器失效风险。
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图4所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)401、通信接口(communicationsinterface)404、至少一个存储器(memory)402和通信总线403，其中，至少一个处理器401，通信接口404，至少一个存储器402通过通信总线403完成相互间的通信。至少一个处理器401可以调用至少一个存储器402中的逻辑指令，以执行如下方法：根据igbt模块的损耗参数、热阻参数和工作参数，获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，结合输出频率修正系数，获取修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗；根据所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，结合简化的igbt结-壳foster网络热阻模型和二极管结-壳foster网络热阻模型，获取igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升；根据散热器温度、igbt的开关损耗和导通损耗、二极管的开关损耗和导通损耗、igbt壳-散热器热阻、二极管壳-散热器热阻、igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升，获取igbt最大结温和二极管最大结温；其中，所述igbt最大结温和二极管最大结温，共同构成电压型逆变器igbt模块的最大结温，igbt和二极管共同构成igbt模块。
此外，上述的至少一个存储器402中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。例如包括：根据igbt模块的损耗参数、热阻参数和工作参数，获取igbt的开关损耗和导通损耗，以及二极管的开关损耗和导通损耗，结合输出频率修正系数，获取修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗；根据所述修正后的igbt损耗和修正后的二极管损耗，结合简化的igbt结-壳foster网络热阻模型和二极管结-壳foster网络热阻模型，获取igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升；根据散热器温度、igbt的开关损耗和导通损耗、二极管的开关损耗和导通损耗、igbt壳-散热器热阻、二极管壳-散热器热阻、igbt最大结-壳温升和二极管最大结-壳温升，获取igbt最大结温和二极管最大结温；其中，所述igbt最大结温和二极管最大结温，共同构成电压型逆变器igbt模块的最大结温，igbt和二极管共同构成igbt模块。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！