电动汽车控制器中功率元件IGBT结温的估算方法与流程

本发明涉及一种电动汽车控制器中功率元件igbt结温的估算方法。

背景技术：

igbt作为电动汽车上最重要的功率元件之一，在汽车动力系统中，功率元件igbt的高失效率成为制约电动汽车控制器长期、安全、可靠运行的关键因素。据电力电子系统的可靠性调研报告显示，功率器件在整个电控系统中是失效率最高的部件。此外，在所有引发控制器各类失效故障的因素当中，近50％的电力电子系统失效故障是由温度因素引发的。因此，有效的对igbt功率元件内部结温进行动态检测与监控，是提高功率模块及控制器系统可靠性的关键。

目前，针对功率元件igbt结温的估算一般是检测开管时igbt的vce，进行结温估算，该方式检测误差大，并只有在igbt开通时检测，关断时vce电压很高，不易实现结温估算；另外是通过功率元件厂家给出的热阻网络估算结温，但需要外接igbt壳温检测电路，并且误差大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车控制器中功率元件igbt结温的估算方法，本方法克服传统igbt结温估算的缺陷，提取igbt内部芯片与其内部热敏电阻之间的热阻抗模型，有效估算igbt结温，具有良好的动态特性及准确性，确保控制器的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明电动汽车控制器中功率元件igbt结温的估算方法包括如下步骤：

步骤一、根据功率元件igbt的参数手册，得到igbt结温与igbt导通压降vce的关系，再通过igbt固定损耗得到vce与热敏电阻温度tntc的关系，将其转换为igbt结温与热敏电阻温度的对应关系，最终提取功率元件igbt和二极管结到热敏电阻的热阻模型zi,j-ntc和zd,j-ntc，其表达式为：

τin＝rin×cin

τdn＝rdn×cdn

其中：τin为时间常数、rin为热阻、cin为热容、τdn为二极管热阻抗时间常数、rdn为二极管热阻、cdn为二极管热容、zd,j-ntc为二极管结到热敏电阻的热阻抗、zi,j-ntc为igbt结到热敏电阻的热阻抗、n为常数1到3、t为时间；

步骤二、检测输出电流及直流母线电压，判断是功率元件igbt还是二极管导通产生损耗，并计算导通损耗pcon和开关损耗psw，

pcon＝vce×ic×d

psw＝fsw×(eon+eoff)

其中：ic为输出电流、d为占空比、eon和eoff分别为功率元件igbt的开通功耗和关断功耗、fsw为开关损耗；

则总损耗pavg＝pcon+psw；

步骤三、实时采样热敏电阻的温度tntc，得到功率元件igbt结温表达式：

tj＝tntc+pavg×zj-ntc

其中：tj为igbt结温、tntc为热敏电阻温度、zj-ntc为igbt结到热敏电阻的热阻抗。

由于本发明电动汽车控制器中功率元件igbt结温的估算方法采用了上述技术方案，即本方法根据功率元件igbt的参数手册，得到igbt结温与igbt导通压降vce的关系，再通过igbt固定损耗得到vce与热敏电阻温度tntc的关系，将其转换为igbt结温与热敏电阻温度的对应关系，最终提取功率元件igbt和二极管结到热敏电阻的热阻模型zi,j-ntc和zd,j-ntc，检测电流及直流母线电压，判断是功率元件igbt还是二极管导通，并计算总损耗pavg；实时采样热敏电阻的温度tntc，得到功率元件igbt结温tj。本方法克服传统igbt结温估算的缺陷，提取igbt内部芯片与其内部热敏电阻之间的热阻抗模型，有效估算igbt结温，具有良好的动态特性及准确性，确保控制器的可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为功率元件igbt及二极管的损耗等效模型图。

具体实施方式

根据图1所示的模型图，本发明电动汽车控制器中功率元件igbt结温的估算方法包括如下步骤：

步骤一、根据功率元件igbt的参数手册，得到igbt结温与igbt导通压降vce的关系，再通过igbt固定损耗得到vce与热敏电阻温度tntc的关系，将其转换为igbt结温与热敏电阻温度的对应关系，最终提取功率元件igbt和二极管结到热敏电阻的热阻模型zi,j-ntc和zd,j-ntc，其表达式为：

τin＝rin×cin

τdn＝rdn×cdn

其中：τin为时间常数、rin为热阻、cin为热容、τdn为二极管热阻抗时间常数、rdn为二极管热阻、cdn为二极管热容、zd,j-ntc为二极管结到热敏电阻的热阻抗、zi,j-ntc为igbt结到热敏电阻的热阻抗、n为常数1到3、t为时间；

步骤二、检测输出电流及直流母线电压，判断是功率元件igbt还是二极管导通产生损耗，并计算导通损耗pcon和开关损耗psw，

pcon＝vce×ic×d

psw＝fsw×(eon+eoff)

其中：ic为输出电流、d为占空比、eon和eoff分别为功率元件igbt的开通功耗和关断功耗、fsw为开关损耗；

则总损耗pavg＝pcon+psw；

步骤三、实时采样热敏电阻的温度tntc，得到功率元件igbt结温表达式：

tj＝tntc+pavg×zj-ntc

其中：tj为igbt结温、tntc为热敏电阻温度、zj-ntc为igbt结到热敏电阻的热阻抗。

图1中pdiode为二极管的损耗，pigbt为功率元件igbt的损耗，rd1、rd2、rd3分别为二极管的等效热阻，cd1、cd2、cd3分别为二极管的等效热容，ri1、ri2、ri3分别为功率元件igbt的等效热阻，ci1、ci2、ci3分别为功率元件igbt的等效热容，tntc为热敏电阻的温度。

本方法中功率元件igbt的参数手册为iec60747《半导体器件.分立器件和集成电路》第2部分整流二极管和第9部分绝缘栅双极型晶体管，以热敏电阻温度为基准，将功率元件igbt的损耗等效为电流源，并通过电流源对阻容网络充放电的方法来估算结温，根据估算结果提高电机控制器功率器件利用率，增加功率密度，评估igbt寿命，确保控制器的可靠性。