一种IGBT器件的评价方法及装置与流程
本发明涉及电力系统直流输配电、电力电子和高压输电技术领域，具体涉及一种igbt器件的评价方法及装置。
背景技术：
随着模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，简称mmc)的广泛应用，子模块内部全控型电力电子器件igbt的可靠性和安全性是换流阀设备运行的关键，因此准确测试计算子模块igbt器件的损耗功率与结温是对子模块设计及检修性能评估的重要依据。
现有的mmc换流阀子模块igbt器件的损耗功率与结温计算，多采用在不同pq运行条件下系统仿真的子模块igbt的电压、电流和预设开关频率等数据计算对应器件的损耗，在仿真计算损耗的基础上再通过设计的散热器热阻、igbt器件热阻进行结温计算，并且在损耗功率的计算过程中采用预设仿真开关频率，导致igbt芯片的开关损耗以及二极管(diode)芯片的反向恢复损耗与真实损耗存在较大偏差；结温计算采用理想的冷却散热方法，使得计算结温会比较理想化或偏低，这些偏差的累计将会导致器件运行效果评估的失真。
技术实现要素：
本发明提供一种igbt器件的评价方法及装置，其目的是提出一种igbt器件的损耗功率和结温的计算方法，利用计算结果对长期运行后或经过严重短路故障的子模块igbt器件进行热性能的评估，并为igbt器件的运行可靠性及安全性提供数据支撑。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种igbt器件的评价方法，其改进之处在于，所述方法包括：
根据igbt器件的导通次数确定igbt器件的损耗功率；
根据所述igbt器件的损耗功率确定igbt器件的结温；
利用所述igbt器件的损耗功率和结温对所述igbt器件进行评价。
优选的，所述根据igbt器件的导通次数确定igbt器件的损耗功率，包括：
按下式确定所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率pigbt：
上式中，w∈[1,n],n为igbt器件导通的总次数；j∈[1,m]，m为igbt器件中的igbt芯片动作总次数，vce(sat)为igbt器件中的igbt芯片的通态压降，
其中，当igbt器件中的igbt芯片的第j次动作为开通时，
按下式确定所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率pdiode：
上式中，b∈[1,l],l为igbt器件中的二极管芯片动作的总次数，vf为igbt器件中的二极管芯片的导通压降，
其中，当igbt器件中的二极管芯片的第b次动作为开通时，
将所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率和所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率作为所述igbt器件的损耗功率。
进一步的，按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的igbt芯片的通态电流
上式中，
按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的二极管芯片的导通电流
上式中，
优选的，所述根据所述igbt器件的损耗功率确定igbt器件的结温，包括：
按下式确定igbt器件中的igbt芯片的结温tigbt：
上式中，tigbt-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tigbt-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rigbt为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，pigbt为igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率，pdiode为igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率，rigbt-th为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的测试值；
按下式确定igbt器件中的二极管芯片的结温tdiode：
上式中，tdiode-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tdiode-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rdiode为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，rdiode-th为igbt器件中的二极管芯片对应的散热器热阻的测试值；
将所述igbt器件中的igbt芯片的结温和所述igbt器件中的二极管芯片的结温作为所述igbt器件的结温。
优选的，所述根据所述igbt器件的损耗功率和结温对所述igbt器件进行评价，包括：
若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温大于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温大于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件存在故障风险；
若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温小于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温小于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件中的igbt芯片型号的选择不合理或冷却液的选择不合理。
一种igbt器件的评价装置，其改进之处在于，所述装置包括：
第一确定单元，用于根据igbt器件的导通次数确定igbt器件的损耗功率；
第二确定单元，用于根据所述igbt器件的损耗功率确定igbt器件的结温；
评价单元，用于利用所述igbt器件的损耗功率和结温对所述igbt器件进行评价。
优选的，所述第一确定单元，包括：
第一确定模块，用于按下式确定所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率pigbt：
上式中，w∈[1,n],n为igbt器件导通的总次数；j∈[1,m]，m为igbt器件中的igbt芯片动作总次数，vce(sat)为igbt器件中的igbt芯片的通态压降，
其中，当igbt器件中的igbt芯片的第j次动作为开通时，
第二确定模块，用于按下式确定所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率pdiode：
上式中，b∈[1,l],l为igbt器件中的二极管芯片动作的总次数，vf为igbt器件中的二极管芯片的导通压降，
其中，当igbt器件中的二极管芯片的第b次动作为开通时，
将所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率和所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率作为所述igbt器件的损耗功率。
进一步的，按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的igbt芯片的通态电流
上式中，
按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的二极管芯片的导通电流
上式中，
优选的，所述第二确定单元，包括：
第三确定模块，用于按下式确定igbt器件中的igbt芯片的结温tigbt：
上式中，tigbt-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tigbt-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rigbt为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，pigbt为igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率，pdiode为igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率，rigbt-th为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的测试值；
第四确定模块，用于按下式确定igbt器件中的二极管芯片的结温tdiode：
上式中，tdiode-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tdiode-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rdiode为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，rdiode-th为igbt器件中的二极管芯片对应的散热器热阻的测试值；
将所述igbt器件中的igbt芯片的结温和所述igbt器件中的二极管芯片的结温作为所述igbt器件的结温。
优选的，所述评价单元，包括：
第一判断模块，用于若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温大于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温大于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件存在故障风险；
第二判断模块，用于若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温小于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温小于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件中的igbt芯片型号的选择不合理或冷却液的选择不合理。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案，通过根据igbt器件的导通次数确定igbt器件的损耗功率，根据所述igbt器件的损耗功率确定igbt器件的结温，利用所述igbt器件的损耗功率和结温对所述igbt器件进行评价，不仅满足了iec标准对igbt器件的损耗功率与结温计算的要求，还可以对长期运行后或经过严重短路故障的子模块igbt器件进行热性能的评估，进一步的，可以为器件的老化分析及寿命预估提供数据支撑，为igbt器件的运行可靠性及安全性提供数据支撑。
附图说明
图1是本发明实施例中一种igbt器件的评价方法的流程图；
图2是本发明实施例中一种igbt器件的评价装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中igbt器件测试平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种igbt器件的评价方法，如图1所示，所述方法包括：
101.根据igbt器件的导通次数确定igbt器件的损耗功率；
102.根据所述igbt器件的损耗功率确定igbt器件的结温；
103.利用所述igbt器件的损耗功率和结温对所述igbt器件进行评价。
进一步的，所述步骤101，包括：
按下式确定所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率pigbt：
上式中，w∈[1,n],n为igbt器件导通的总次数；j∈[1,m]，m为igbt器件中的igbt芯片动作总次数，vce(sat)为igbt器件中的igbt芯片的通态压降，
其中，当igbt器件中的igbt芯片的第j次动作为开通时，
按下式确定所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率pdiode：
上式中，b∈[1,l],l为igbt器件中的二极管芯片动作的总次数，vf为igbt器件中的二极管芯片的导通压降，
其中，当igbt器件中的二极管芯片的第b次动作为开通时，
将所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率和所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率作为所述igbt器件的损耗功率。
具体的，igbt器件的开通和关断次数、igbt芯片的开通和关断次数和二极管芯片的开通和关断次数相同；
例如，如图3所示的igbt器件测试平台，所述igbt器件测试平台是基于辅助igbt器件与试品igbt器件的电容器c与负载电抗器l的谐振放电原理工作，通过信号控制辅助igbt器件与试品igbt器件的第一igbt芯片t1和第二igbt芯片t2的开通关断，在第一igbt芯片t1、第一二极管芯片d1、第二igbt芯片t2和第二二极管芯片d2上形成断续脉冲电流，这四种断续脉冲电流集合形成正弦桥臂电流ip；
igbt器件的栅极信号是控制器采用正弦调制信号和三角载波信号的调制法产生的spwm脉冲信号，针对检修用的1托1结构运行测试平台，为了防止桥臂电流振荡失真，设定igbt器件的栅极脉冲频率为1khz(即周期1ms)，且第一igbt芯片和第二igbt芯片的开关信号绝对相反，辅助igbt器件和试品igbt器件的脉冲的调制信号相位差为180°，igbt器件与控制器的通信周期为125us，在该周期内igbt器件的开关的时间只能是125us的倍数，因此igbt器件开通和关断开关次数分别被限定为8次，即每个igbt芯片开通和关断分别为8次，每个二极管也开通和关断分别为8次，设负载电流是周期t为20ms的正弦波；igbt器件中存在正弦电流的正负半波。依据正弦电流波形的电流方向分析，在正半波时间内，第一igbt芯片和第二二极管芯片形成工作对器件；负半波时间内，第二igbt芯片和第一二极管芯片形成工作对器件；采用正弦波20等份提取第一igbt芯片的电流it1、第二igbt芯片的电流it2、第一二极管芯片的电流id1和第二二极管芯片的电流。
具体的，按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的igbt芯片的通态电流
上式中，
按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的二极管芯片的导通电流
上式中，
进一步的，所述步骤102，包括：
按下式确定igbt器件中的igbt芯片的结温tigbt：
上式中，tigbt-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tigbt-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rigbt为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，pigbt为igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率，pdiode为igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率，rigbt-th为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的测试值；
按下式确定igbt器件中的二极管芯片的结温tdiode：
上式中，tdiode-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tdiode-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rdiode为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，rdiode-th为igbt器件中的二极管芯片对应的散热器热阻的测试值；
将所述igbt器件中的igbt芯片的结温和所述igbt器件中的二极管芯片的结温作为所述igbt器件的结温。进一步的，所述步骤103，包括：
若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温大于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温大于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件存在故障风险；
若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温小于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温小于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件中的igbt芯片型号的选择不合理或冷却液的选择不合理。
本发明提供的实施例中，以±320kv/1000mw的mmc换流阀子模块例行试验，并得到真实的试验验证。针对该等效计算方法，分别经过仿真计算、实测功耗反校，igbt损耗偏差小于10％，对igbt运行状态的分析可靠有效。
本发明还提供一种igbt器件的评价装置，如图2所示，所述装置包括：
第一确定单元，用于根据igbt器件的导通次数确定igbt器件的损耗功率；
第二确定单元，用于根据所述igbt器件的损耗功率确定igbt器件的结温；
评价单元，用于利用所述igbt器件的损耗功率和结温对所述igbt器件进行评价。
进一步的，所述第一确定单元，包括：
第一确定模块，用于按下式确定所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率pigbt：
上式中，w∈[1,n],n为igbt器件导通的总次数；j∈[1,m]，m为igbt器件中的igbt芯片动作总次数，vce(sat)为igbt器件中的igbt芯片的通态压降，
其中，当igbt器件中的igbt芯片的第j次动作为开通时，
第二确定模块，用于按下式确定所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率pdiode：
上式中，b∈[1,l],l为igbt器件中的二极管芯片动作的总次数，vf为igbt器件中的二极管芯片的导通压降，
其中，当igbt器件中的二极管芯片的第b次动作为开通时，
将所述igbt器件中的igbt芯片的损耗功率和所述igbt器件中的二极管芯片的损耗功率作为所述igbt器件的损耗功率。
具体的，按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的igbt芯片的通态电流
上式中，
按下式确定igbt器件第w次导通时igbt器件中的二极管芯片的导通电流
上式中，
进一步的，所述第二确定单元，包括：
第三确定模块，用于按下式确定igbt器件中的igbt芯片的结温tigbt：
上式中，tigbt-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tigbt-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rigbt为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，pigbt为igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率，pdiode为igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率，rigbt-th为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的测试值；
第四确定模块，用于按下式确定igbt器件中的二极管芯片的结温tdiode：
上式中，tdiode-in为冷却液进入igbt器件中的igbt芯片对应的散热器的温度，tdiode-out为冷却液从igbt器件中的igbt芯片对应的散热器出去的温度，rdiode为igbt器件中的igbt芯片对应的散热器热阻的额定热阻值，rdiode-th为igbt器件中的二极管芯片对应的散热器热阻的测试值；
将所述igbt器件中的igbt芯片的结温和所述igbt器件中的二极管芯片的结温作为所述igbt器件的结温。
进一步的，所述评价单元，包括：
第一判断模块，用于若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率大于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、若所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温大于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温大于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件存在故障风险；
第二判断模块，用于若所述igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的igbt芯片的损耗功率期望值、所述igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率小于igbt器件的损耗功率中的二极管芯片的损耗功率期望值、若所述igbt器件的结温中的igbt芯片的结温小于igbt器件的结温中的igbt芯片的结温期望值且所述igbt器件的结温中的二极管芯片的结温小于igbt器件的结温中的二极管芯片的结温期望值，则igbt器件中的igbt芯片型号的选择不合理或冷却液的选择不合理。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
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