一种用于变流器功耗计算的建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变流器的仿真建模技术领域，具体的说，涉及一种用于变流器功耗计 算的建模方法。
【背景技术】
[0002] 如今，绝缘栅双极型晶体管 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)模块等 功率半导体器件已经成为变流器的核心器件。对IGBT模块进行散热设计和寿命预测已成 为提高变流器可靠性的主要内容。而对IGBT模块进行散热设计和寿命预测的关键在于建 立电热模型来获取IGBT模块的温升和结温随时间变化曲线，其中建立电热模型的基础便 是要计算获得IGBT模块的功耗。
[0003] 目前，基于MATLAB中simulink仿真建模软件的广泛应用于变流器中半导体器件 功耗计算的仿真模型为基于电流基波周期计算器件平均损耗的器件模型。该模型是在假 设输出电压和电流的波形为正弦的前提下，将变流模块中器件的通态损耗及开关损耗表示 为器件参数与运行条件的解析公式。其中器件参数（如初始器件通态压降、通态电阻以及 温度系数等）是根据器件手册提供的参数曲线或通过一些简单实验（如V-I实验、开关损 耗实验等）获取的，在获取器件参数后结合运行条件（变流模块的调制系数、电流及器件温 度）计算器件在各种条件下的平均损耗与平均结温。该类模型仿真效率高，但是由于该类 模型的仿真是在假设输出电压和电流的波形为正弦的前提下进行，所以无法反应电流周期 及暂态变化对于器件功耗的影响。
[0004] 因此，亟需一种能够反应电流周期及电流暂态变化对于器件功耗的影响的建模方 法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一在于提供一种用于变流器功耗计算的建模方法，以解决现有的 建模方法无法反应电流周期及电流暂态变化对于器件功耗的影响的技术问题。
[0006] -种用于变流器功耗计算的建模方法，包括：
[0007] 将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和/或二极管；
[0008] 构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累计IGBT管的 开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗；以及/或者
[0009] 构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计二极管的反 向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗。
[0010] 进一步的，还包括：
[0011] 构建IGBT管的功耗模块，对IGBT管的开关能耗和导通能耗求和获得IGBT管的能 量损耗，由预设时间段内IGBT管能量损耗的增量计算预设时间段内IGBT管的平均功耗；以 及/或者
[0012] 构建二极管的功耗模块，对二极管的反向恢复能耗和导通能耗求和获得二极管的 能量损耗，由预设时间段内二极管能量损耗的增量计算预设时间段内二极管的平均功耗。 [0013] 其中，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：
[0014] 构建IGBT管的开关能耗子模块，在统计时刻判断IGBT管是否完成开关动作，若已 完成开关动作，则将统计时刻的单次开关能耗累加至统计时刻之前的总开关能耗，若未完 成开关动作，则舍弃统计时刻的单次开关能耗。
[0015] 进一步的，包括：
[0016] 提取统计时刻的IGBT管实时工作电流，基于统计时刻的实时工作电流和开关损 耗系数计算统计时刻的单次开关能耗。
[0017] 其中，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：
[0018] 构建IGBT管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的IGBT管的实时工作电流， 基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。
[0019] 其中，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：
[0020] 构建二极管的反向恢复能耗子模块，在统计时刻判断二级管是否完成反向恢复， 若已完成反向恢复则将统计时刻的单次反向恢复能耗累加至统计时刻之前的总反向恢复 能耗，若未完成反向恢复，则舍弃统计时刻的单次反向恢复能耗。
[0021] 进一步的，包括：
[0022] 提取统计时刻的实时桥臂电流，基于统计时刻的实时桥臂电流和反向恢复损耗系 数计算统计时刻的单次反向恢复能耗，其中，桥臂电流为桥臂与负载或电源连接电路的电 流。
[0023] 其中，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：
[0024] 构建二极管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的二极管的实时工作电流， 基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。
[0025] 本发明带来了以下有益效果：本发明实施例中提供的建模方法通过对变流器内部 桥臂中IGBT管的开关能耗、导通能耗和/或二极管的反向恢复能耗、导通能耗分别进行实 时计算，进而计算得到在预设时间段内IGBT管的平均功耗以及/或者二极管的平均功耗， 实现对于变流器在预设时间段内平均功耗的计算，反映出电流周期及电流暂态变化对变流 器功耗波动的影响。由于本发明实施例中提供的方法是基于单个桥臂内IGBT管和/或二极 管进行的建模，变流器内部其他桥臂均可套用该模型，因此具有易读性、通用性和移植性优 点，并且可以便捷的与电气系统仿真和热仿真进行接口。同时，相对于现有技术中的基于半 导体载流子输送特性的器件详细物理模型，本发明实施例中提供的建模方法具有效率高、 能够长时间仿真的优点。虽然该类模型描述了器件运行的物理过程，物理意义明确、精度较 高。但是该类模型的建立需要大量参数，参数的提取过程非常复杂，并且仿真步长很短，所 以仿真效率不高，无法实现长时间的仿真。而本发明实施例中提供的建模方法具有传统平 均损耗模型简单，仿真效率高、能够长时间仿真的优点，同时又能反应电流周期及电流暂态 变化对功耗波动的影响。
[0026] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的 附图做简单的介绍：
[0028] 图1是本发明实施例一提供的建模方法的流程图；
[0029] 图2是本发明实施例一提供的电热协同仿真示意图；
[0030] 图3是本发明实施例二提供的城轨列车牵引变流器电路的电路图；
[0031] 图4是本发明实施例二提供的IGBT管的功耗计算模型示意图；
[0032] 图5是本发明实施例二提供的IGBT管开通能耗、关段能耗同电流的特性关系图；
[0033] 图6是本发明实施例二提供的IGBT管导通状态下的电流和压降关系图；
[0034] 图7是本发明实施例二提供的二极管的功耗计算模型示意图；
[0035] 图8是本发明实施例二提供的二极管电流和反向恢复能耗的关系图；
[0036] 图9是本发明实施例二提供的二极管导通状态下集电极电流和管压降之间的关 系图；
[0037] 图10是本发明实施例二提供的桥臂功耗计算模型示意图；
[0038] 图11是本发明实施例二提供的电气仿真对外接口输出信号顺序图；
[0039] 图12是本发明实施例二提供的热仿真输出波形图。
[0040] 附图标记说明：
[0041] 1、充电回路2、斩波单元3、逆变器4、IGBT模块5、IGBT管的实时能耗模块6、 IGBT管的开关能耗子模块7、IGBT管的导通能耗子模块8、IGBT管的功耗模块11、二极管 的实时能耗模块12、二极管的导通能耗子模块13、二极管的反向恢复能耗子模块14、二 极管的功耗模块
【具体实施方式】
[0042] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0043] 实施例一:
[0044] 本发明实施例提供了一种用于变流器功耗计算的建模方法，如图1所示，该方法 包括：
[0045] 步骤S101、将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和/或二极管；
[0046] 在本发明实施例中，变流器可以由一个或多个桥臂组成，桥臂的个数在此不做限 制。桥臂可以由IGBT管和二极管组成，也可以只由IGBT管组成或只由二极管组成。
[0047] 步骤S102、构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累 计IGBT管的开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗；以 及/或者
[0048] 步骤S103、构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计 二极管的反向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗。
[0049] 在本发明实施例中，由于IGBT芯片的主要损耗来源于其开通、关断过程中产生的 开关损耗和导通状态下产生的导通损耗，因此，在计算IGBT管的功耗时，忽略其关断状态 下的损耗和驱动损耗。而二极管的主要损耗来源于其导通状态和反向恢复过程的损耗，因 此，忽略其关断状态、开通过程中的损耗和驱动损耗。
[0050] 本发明实施例中提供的方法通过对变流器内部桥臂中IGBT管的开关能耗、导通 能耗和/或二极管的反向恢