基于分数阶建模的SiCMOSFET结温测量方法和系统

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于分数阶建模的sic mosfet结温测量方法和系统。

背景技术：

1、功率型碳化硅（sic）mosfet器件是电力电子系统中的关键组件，它们以高传热能力和高功率密度的特性突出。这些器件的可靠性和性能至关重要，因为在应用中，它们常常要在较高的环境温度下，以及在频繁的电源循环条件中运行，这往往造成了极高的器件结温。因此，功率半导体器件的温度控制和热管理成为了一个广受关注的问题。为了进行状态监测，如监测焊线的退化和上升，以及预测器件寿命以前的失效，引入了对器件实时结温的测量方法。根据行业报告，大约38％的电力变换器系统故障是由电源器件故障引发的，而近55％的器件故障是由过高的温度造成的。此外，每10℃的结温升高都会使器件的故障率增加一倍。因此，准确地获取电力器件的最高结温对于保障电力电子系统的安全稳定运行具有重大的实际意义。

2、目前存在的结温测量方法存在温度敏感度较低的不足。

3、因此，需要提供一种准确性、温度敏感度更高的sic mosfet结温测量方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本技术提出了一种基于分数阶建模的sic mosfet结温测量方法和系统。

2、本技术通过以下技术手段解决上述问题：

3、本技术第一方面提供一种基于分数阶建模的sic mosfet结温测量方法，包括如下步骤：

4、步骤s100、采集rc电路的电能数据，并对rc电路中的电容电流进行分数阶建模，通过 kvl 定律和齐次方程得到包含分数阶模型的电路方程，生成rc电路的分数阶模型；

5、步骤s200、建立sic mosfet驱动回路的等效rc电路，并应用所述rc电路的分数阶模型计算sic mosfet的开通延时时间td、漏极电流上升阶段的时间tri、漏源电压下降阶段的时间tfu；

6、步骤s300、根据sic mosfet的开通延时时间td、漏极电流上升阶段的时间tri、漏源电压下降阶段的时间tfu确定sic mosfet的准开通延时toff_delay；

7、步骤s400、通过调节所述分数阶模型的阶数，增加toff_delay的值和sic mosfet的结温之间的温度相关性，通过toff_delay的值确定所述sic mosfet的结温。

8、作为优选的，所述对rc电路中的电容电流进行分数阶建模，通过 kvl 定律和齐次方程得到包含分数阶模型的电路方程，生成rc电路的分数阶模型，包含以下步骤：

9、rc电路的电容电流ic为，其中vc为rc电路中电容器的电压,α为分数阶建模的阶数，c为rc电路中电容器电容；

10、由kvl定律可以得到，电路方程为：；

11、带入齐次方程，可以得到；

12、式中，u0为直流电源，s为常数，r为rc电路中电阻元件的电阻；可以得到：

13、

14、式中，为离散后的，通过fir滤波器的形式近似得到分数阶模型。

15、进一步的，根据对sic mosfet驱动回路的等效rc电路的分数阶建模得到基于分数阶模型下，在sic mosfet的开通延时阶段，即t0-t2时间段，基于分数阶栅源极电压vgs的分数阶表达式为：

16、

17、式中，为离散后的，α为分数阶模型的阶数，其中 v gh为正向驱动电压， v gl为负向关断电压， r g为栅极回路驱动电阻，包括sic mosfet内部电阻和外部驱动电阻，为该阶段的时间常数，可用下式表示：

18、

19、式中，rg为栅极电阻，cgs和cgd分别为栅源等效电容和米勒电容；

20、在这个阶段，vgs会上升到阈值电压vth值，由此可以得到：

21、。

22、进一步的，所述漏极电流上升阶段的时间tri的计算步骤包含：

23、根据对sic mosfet驱动回路的等效rc电路的分数阶建模得到基于分数阶模型下，在sic mosfet的漏级电流上升阶段，即t2-t3时间段，vgs会上升到米勒平台电压 v gp，基于分数阶栅源极电压vgs的分数阶表达式为：

24、

25、所述漏极电流上升阶段的时间tri表达式为：

26、

27、式中，vgp为米勒平台电压。

28、进一步的，所述漏源电压下降阶段的时间tfu的计算步骤包含：

29、根据对sic mosfet驱动回路的等效rc电路的分数阶建模得到基于分数阶模型下，在sic mosfet的漏源电压下降阶段，即t3-t4时间段，漏源极电压vds会从母线电压vdc降低到vds(on)，vds的表达式为 ：

30、

31、所述漏源电压下降阶段的时间tfu表达式为：

32、

33、式中， v ds(on)为导通压降， v dc为母线电压。

34、进一步的，所述sic mosfet的准开通延时toff_delay的表达式为：

35、。

36、进一步的，所述通过toff_delay的值确定所述sic mosfet的结温，包含：

37、实时监测和计算所述sic mosfet的准开通延时toff_delay；

38、将所得到的准开通延时toff_delay与预先设定的电压波形图进行比较和分析；

39、根据所述比较和分析的结果，确定所述sic mosfet的结温。

40、本技术第二方面提供一种基于分数阶建模的sic mosfet结温测量系统，包括：

41、处理模块，采集rc电路的电能数据，并对rc电路中的电容电流进行分数阶建模，通过 kvl 定律和齐次方程得到包含分数阶模型的电路方程，生成rc电路的分数阶模型；

42、计算模块，建立sic mosfet驱动回路的等效rc电路，并应用所述rc电路的分数阶模型计算sic mosfet的开通延时时间td、漏极电流上升阶段的时间tri、漏源电压下降阶段的时间tfu；

43、生成模块，根据sic mosfet的开通延时时间td、漏极电流上升阶段的时间tri、漏源电压下降阶段的时间tfu确定sic mosfet的准开通延时toff_delay；

44、确定模块，通过调节所述分数阶模型的阶数，增加toff_delay的值和sic mosfet的结温之间的温度相关性，通过toff_delay的值确定所述sic mosfet的结温。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

46、本发明提供了一种基于分数阶建模的sic mosfet结温测量方法和系统，与传统的sic mosfet结温测量方法对比，解决了现有技术中结温测量方法温度敏感度较低的技术问题。该方法采用分数阶模型，具有灵活和精确的优点，能有效提高sic mosfet电参数的温度敏感度，从而实现更准确、快速的结温测量。这种方法有助于改善电力电子设备的安全性和稳定性，减少由于器件过热导致的故障，并且提高了器件的可靠性，降低维护成本。此外，它还为其他相关领域提供了一个全新的分析工具，拓宽了应用范围，具有重要的实用价值。