技术领域：
：本发明属于电力电子
技术领域：
，具体涉及一种igbt模块的结温预测方法，用于在模块化多电平电路直流双极短路情况下igbt的结温计算。
背景技术：
：：模块化多电平因为其可拓展性强，输出电平数高、谐波含量低，非常适用于高压大电流的场合，在柔性直流输电中有广泛的应用。igbt(绝缘栅双极型晶体管)作为电路子模块中的最重要的元件，其正常工作与否极大地影响着电路的运行的可靠性。igbt模块失效在很大程度上是在热循环的影响下过热失效，与其结温有着直接的关系。因此，在系统未运行前模拟其运行条件预测igbt结温是非常必要的。模块化多电平电路的短路故障是具有严重后果的故障，而其中直流双极短路是最严重的短路情况。研究直流双极短路情况下igbt结温的变化曲线，可以得出不同运行条件下igbt的热失效时刻及故障耐受时间，对主电路设计、保护设计以及散热回路设计都有着重大的意义。目前的结温计算方法大多是pwm变流器中igbt的结温计算方法，由于模块化多电平电路的调制方式不同，其子模块的投切行为较复杂，开关频率较低，故不能将其直接应用于模块化多电平电路中。技术实现要素：：本发明目的是为了提供一种igbt模块的结温预测方法，用于针对模块化多电平电路，通过计算预测出其不同运行条件下发生直流双极短路时的结温变化曲线。为主电路设计、保护设计以及散热回路设计提供参考，提高系统的稳定性。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：一种igbt模块的结温预测方法，包括以下步骤：1)根据模块化多电平电路参数和短路前运行情况计算出直流双极短路时流过igbt电流的表达式；2)根据igbt数据手册拟合出导通损耗、开关能量与流过igbt电流的关系式；3)根据igbt的等效开关频率和等效占空比判断igbt所处的开关状态；4)根据igbt所处的开关状态，直流双极短路时流过igbt电流的表达式，以及导通损耗、开关能量与流过igbt电流的关系式计算出igbt的损耗值p；5)根据igbt的损耗值p和igbt模块的4阶foter传热模型得出预测的时间段内igbt结温随时间变化趋势的离散曲线。本发明进一步的改进在于，步骤1)中，直流双极短路时流过igbt的电流表达式如下：其中其中，udc为直流侧电压值、n为半个桥臂子模块个数、c0为子模块电容容值、la为桥臂阀电抗器电感值、rst为桥臂等效电阻值、ll为直流母线等值电感值、rl为直流母线等值电阻值、il为故障时刻电感电流值。本发明进一步的改进在于，步骤2)中，导通损耗以及开关能量与流过igbt电流ic的关系式如下：开通能量eon：eon＝9.607×10-7ic2+0.002145ic+0.7643关断能量eoff：eoff＝0.005189ic+0.1464导通损耗ptcon：vce＝aic2+bic+c结温tj为25摄氏度下a＝-5.922×10-8b＝0.0009071c＝0.7492结温tj为125摄氏度下a＝-8.8×10-8b＝0.001252c＝0.8091所以，系数a、b、c随结温tj变化关系为导通损耗ptcon＝vceic＝(aic2+bic+c)ic其中vce为igbt导通压降。本发明进一步的改进在于，步骤4)中计算igbt的损耗值p具体方法如下：其中，tc为结温计算周期。本发明进一步的改进在于，步骤5)中，igbt结温计算方法具体如下：τi＝rici其中，tc是计算周期，ti是第i阶热模型的温度差，tfi是第i阶热模型上一计算周期的温度差，ri是第i阶热模型的热阻值，ci是第i阶热模型的热容值，tj是结温，ta是环境温度，i为正整数。本发明具有如下的优点：本发明提供的一种igbt模块的结温预测方法，用于计算模块化多电平电路直流双极短路时igbt结温的变化，计算基于直流双极短路的情况，现有发明鲜有涉及电路短路时igbt结温的瞬态变化情况；本发明采用igbt数据手册来拟合损耗与电流的关系，损耗计算基于实践得出的结论，从而做到精准和贴近实际应用；本发明根据igbt的等效开关频率和等效占空比判断igbt所处的开关状态，可以近似的模拟出模块化多电平电路中igbt的开关状态，并以此作为计算igbt损耗的依据，从而比其他方法计算更精确细致；本发明利用传热学原理对igbt模块建立4阶foster传热模型，该传热模型中既有热阻又有热容，能够充分地模拟出igbt模块的传热特性，进而对模型求解可以模拟模块化多电平电路短路时igbt芯片的结温瞬态变化趋势，精度较高且无需实物、节省资源；本发明采用的方法属于预测性质的事前模拟，可在电路短路未发生时获得与实际相近的结果，且通过改变电路参数、改变igbt传热模型的参数分别可以模拟不同散热条件情况下、不同电路运行状态下结温变化曲线，从而能为系统的散热等参数设计提供参考依据；本发明采用matlab编程实现，算法简洁实用，节省软件资源。进一步，本发明考虑了结温对导通损耗的影响，从而减小了电热耦合带来的误差。进一步，本发明采用的损耗计算方法为分段法，由于igbt开关状态的不同时损耗的性质及表达式不一样，本发明根据开关状态分别计算其损耗，从而比普通计算方法更加精细。进一步，针对了模块化多电平电路开关频率低的问题，本发明所采用的结温计算方法中，计算周期小于igbt的开关周期，从而能够模拟出igbt单个开关周期中间的结温变化，相比其他计算方法将整个开关周期作为计算周期并将开关损耗平均到开关周期中的做法，本发明采用的方法计算更加精细，减小了等效带来的误差。附图说明：图1为本发明实施例的流程示意图。图2为模块化多电平电路主电路示意图。图3为图1实施例的结温计算的具体过程原理示意图。图4为igbt模块foster传热模型示意图。图5为igbt短路电流及结温仿真结果图。具体实施方式：以下结合附图和实施例进一步阐述本发明，但本发明不限于所给出的例子。如图1所示，本发明提供的一种igbt模块的结温预测方法，包括以下步骤：第一步：在计算之前要确定计算所需的参数值，在本发明中，这些参数包括：主电路的参数，如图2所示，包括直流侧电压值udc、半个桥臂子模块个数n、子模块电容容值c0、桥臂阀电抗器电感la、桥臂等效电阻rst、直流母线等值电感ll和等值电阻rl。其中桥臂等效电阻包括电抗器直流电阻、电容串联等效电阻、线路及器件等效电阻等。故障时刻电感电流值il。系统短路前稳定运行状态下igbt的结温。该值为结温计算的初值即t0时刻的结温。短路前的结温在实际运行时是波动的，但其波动范围不大对结温计算的影响不大，故在本发明中初值取稳态运行时的平均值。仿真步长ts、结温计算周期tc。计算短路电流的时间间隔与仿真步长一致，计算结温时间间隔与结温计算周期一致。定义变量n_cal，其含义为每隔n_cal个仿真周期计算一次结温。开关频率f、占空比d。模块化多电平电路器件开关状态由多种因素决定，是较为随机的非线性过程，故本发明在获取开关频率和占空比之后采用固定周期和占空比作为开关状态。相关参数还有一个开关周期内结温计算周期的个数n_switch、一个开关周期内开关导通的结温计算周期个数n_on＝n_switch*d。所用igbt的5阶foster模型热容热阻参数。本实施例采用5阶模型，但本发明所采用模型不局限于5阶，应据情况而定。igbt25摄氏度及125摄氏度下的通态特性曲线，以及开关能量特性曲线。第二步：计算直流双极短路下的短路电流。本发明采用短路电流计算公式为：其中其中，udc为直流侧电压值、n为半个桥臂子模块个数、c0为子模块电容容值、la为桥臂阀电抗器电感值、rst为桥臂等效电阻值、ll为直流母线等值电感值、rl为直流母线等值电阻值、il为故障时刻电感电流值。本实施例中所用参数取值如表1所示：表1主电路各项参数取值udc/v100000n/个100c0/f0.01la/h0.01rst/ω0.01ll/h0.015rl/ω0.005il/a1000第三步：根据芯片数据手册中的特性曲线拟合损耗系数。本实施例中对通态饱和压降vce和流过igbt的电流ic的关系采用二次拟合；igbt的开通能量eon采用二次拟合，igbt的关断能量eoff采用一次拟合。表达式为：25摄氏度下vce＝-5.922×10-8ic2+0.0009071ic+0.7492125摄氏度下vce＝-8.8×10-8ic2+0.001252ic+0.8091eon＝9.607×10-7ic2+0.002145ic+0.7643，eoff＝0.005189ic+0.1464第四步：判断当前计算周期内igbt开关状态并根据相应状态计算损耗。本发明中认为一个开关周期内有n_switch个结温计算周期，其中：(1)第1个计算周期开关管开通，损耗为开通损耗pon，pon＝eon/tc。(2)第2到第n_on-1个计算周期开关管处于导通状态，损耗为导通损耗ptcon，ptcon＝vceic。vce通过拟合根据ic值得到。本发明考虑结温对饱和压降vce的影响，将拟合系数通上一时刻结温值修正，公式为：导通损耗ptcon＝vceic＝(aic2+bic+c)ic结温tj为25摄氏度下a＝-5.922×10-8b＝0.0009071c＝0.7492结温tj为125摄氏度下a＝-8.8×10-8b＝0.001252c＝0.8091所以，系数a、b、c随结温tj变化关系为将每个仿真步长的损耗瞬时值ptcon＝vceic。将每个仿真时间点的损耗取平均值作为该计算周期的平均损耗。(3)第n_on个计算周期开关管关断，损耗为关断损耗poff，poff＝eoff/tc。(4)开关周期内余下计算周期开关管处于截止状态，认为损耗为零。损耗计算中的计算周期等值的选取下所示：计算周期10μs、等效开关周期1ms、等效占空比0.1。第四步：根据损耗和传热模型计算结温。如图3所示，本发明采用的结温计算过程是离散的，计算公式为：τi＝rici。如图4所示，p是当前计算周期损耗，tc是计算周期，ti是第i阶热模型的温度差，tfi是第i阶热模型上一计算周期的温度差，ri是第i阶热模型的热阻值，ci是第i阶热模型的热容值，tj是结温，ta是环境温度。本实施例中foster模型各阶参数取值如表2所示：表2foster模型各阶参数取值r1/(℃/w)1.2c1/(j/kg·k)5.2944r2/(℃/w)1.49c2/(j/kg·k)37.29r3/(℃/w)0.269c3/(j/kg·k)45.59r4/(℃/w)0.246c4/(j/kg·k)1.254由此便可以的出igbt结温的变化曲线，结果如图5所示。本实施例可以灵活选取仿真步长、结温计算周期等参数；用igbt数据手册来拟合损耗与电流的关系，损耗计算更精准，更贴近实际应用；考虑了结温对导通损耗的影响，避免了电热耦合带来的误差。当前第1页12