一种基于热网络时间常数的IGBT模块和散热系统的热参数辨识方法与流程

本发明涉及热参数辨识技术领域，尤其是一种基于热网络时间常数的igbt模块和散热系统的热参数辨识方法。

背景技术：

igbt模块及其散热系统是功率变流器的核心组件，然而工业界的调查结果表明，igbt模块及其散热系统是功率变流器中最容易发生失效的两个组件。由于功率变流器处理功率的波动性和间歇性，功率变流器内部容易形成温度循环，加之功率模块和散热系统内部物理材料热膨胀系数的不匹配，在运行过程中容易产生热疲劳老化，降低其可靠性。相关的研究表明，随着igbt模块及其散热系统老化程度的加剧，其对应的热参数会发生改变，因此辨识出热参数能够反映igbt模块及其散热系统的健康状态。

目前来说，热参数的辨识方法主要有以下三类：解析计算法、有限元仿真法以及实验测量法。解析计算法是根据igbt模块及其散热系统的机械尺寸以及材料物理参数，计算出热阻和热容值。有限元仿真法则是通过在软件中搭建igbt模块及其散热系统的物理模型，利用仿真得到的温度响应来计算出热参数值。尽管这两类方法不需要硬件电路，成本较低，但是由于无法计及老化进程中材料的热疲劳损伤，因而辨识出的热参数只能反映igbt模块以及散热系统的初始健康状态，不适用于状态监测应用。

实验测量法是指利用实验来辨识出igbt模块以及散热系统的热阻和热容值。常见的实验测量法主要有iec-60747-9-2007测量标准和jesd51-14测量标准。前者通过测量热平衡状态下的结温，壳温，环境温度以及功率损耗，计算出igbt模块和散热系统的热阻。后者通过测量加热功率损耗以及降温阶段的结温降温曲线来辨识出igbt模块以及散热系统的热参数。尽管上述测量标准可以较为准确地辨识出热参数，但是由于需要测量结温以及功率损耗，并且要满足热平衡条件，所以仅适用于离线的情形。少量文献根据易于提取的其它物理特征量来间接辨识出热参数值，这些特征量包括变流器输出电流五次谐波含量、壳温的二维分布、igbt模块壳到环境的温差等等。虽然这些物理特征量易于在线测量，且能够给出igbt模块总热阻的数值，但是这些特征量容易受散热系统老化的影响，并不能满足实际应用需求。

因此，需要发明一种无需测量结温和功率损耗就可以同时辨识出igbt模块和散热系统热参数的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于热网络时间常数的igbt模块和散热系统的热参数辨识方法，

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于热网络时间常数的igbt模块和散热系统的热参数辨识方法，包括如下步骤：

(1)根据igbt模块和散热系统的物理结构，建立三阶考尔型热网络模型；

(2)通过改变三次散热工况，建立四组散热条件下热网络时间常数和热网络参数之间的约束方程组；

(3)测量四组散热条件下，igbt模块在降温过程中的壳温以及环境温度；

(4)通过拟合壳温相对于环境温度的曲线，获得热网络时间常数；

(5)最后将拟合得到的热网络时间常数代入建立的约束方程组，辨识出igbt模块和散热系统的热阻和热容值。

优选的，步骤(1)中，将igbt模块和散热系统等效为三阶考尔型热网络模型，并将igbt模块设置为热网络模型的第一阶rc参数，导热硅脂设置为热网络模型的第二阶rc参数，散热器设置为热网络模型的第三阶rc参数。

优选的，步骤(2)中，四组散热条件下热网络时间常数和热网络参数之间的约束方程组为：

其中r1，c1为igbt模块的热阻和热容值，r2，c2为导热硅脂的热阻和热容值，r3，c3为散热条件fs1下散热器的热阻和热容值，r′3，c′3为散热条件fs2下散热器的热阻和热容值，r″3，c″3为散热条件fs3下散热器的热阻和热容值，r″′3，c″′3为散热条件fs4下散热器的热阻和热容值。τ1，τ2，τ3、τ′1，τ′2，τ′3、τ″1，τ″2，τ″3和τ″′1，τ″′2，τ″′3为四组散热条件下热网络时间常数。

优选的，步骤(3)中，利用热电偶测量壳温tc(t)以及环境温度ta，壳温测量位置在芯片中心正下方igbt模块基板上，环境温度则为散热器进风口的空气温度。

优选的，步骤(4)中，利用非线性最小二乘法，通过拟合壳温相对于环境温度tca(t)＝tc(t)-ta的曲线来获得热网络时间常数，拟合形式为其中a1a2a3为拟合系数，t为测量壳温过程中的时间。

优选的，步骤(5)中，将四组散热条件下拟合得到的热网络时间常数带入约束方程组中，求解出igbt模块和散热系统的热阻和热容值。

本发明的有益效果为：本发明无需测量igbt模块的结温和功率损耗，就可以同时辨识出igbt模块和散热系统的热参数，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2(a)为本发明中igbt模块和散热系统的三阶考尔型热网络散热工况fs1时的模型示意图。

图2(b)为本发明中igbt模块和散热系统的三阶考尔型热网络散热工况fs2时的模型示意图。

图2(c)为本发明中igbt模块和散热系统的三阶考尔型热网络散热工况fs3时的模型示意图。

图2(d)为本发明中igbt模块和散热系统的三阶考尔型热网络散热工况fs4时的模型示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于热网络时间常数的igbt模块和散热系统的热参数辨识方法，包括如下步骤：

(1)根据igbt模块和散热系统的物理结构，建立三阶考尔型热网络模型；

本实施例中，步骤(1)具体包括：根据igbt模块和散热系统的物理结构，将igbt模块和散热系统等效为三阶考尔型热网络模型，如图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)所示，其中第一阶参数r1,c1和igbt模块相关，第二阶参数r2,c2和导热硅脂相关，第三阶参数和散热器相关，r3,c3为散热条件fs1下散热器的热参数，r′3,c′3为散热条件fs2下散热器的热参数，r″3,c″3为散热条件fs3下散热器的热参数，r″′3,c″′3为散热条件fs4下散热器的热参数。

(2)利用电热比拟理论以及特征方程根与系数的关系，建立热网络时间常数和热网络参数之间的约束方程组；

在本实施例中，步骤(2)具体包括：建立的热网络自然频率和热网络参数之间的约束方程组，如下所示：

其中τ1，τ2，τ3、τ′1，τ′2，τ′3、τ″1，τ″2，τ″3和τ″′1，τ″′2，τ″′3为四组散热条件下热网络时间常数。

(3)测量四组散热条件下，igbt模块在降温过程中的壳温以及环境温度；

在本实施例中，步骤(3)具体包括：利用热电偶测量壳温tc(t)以及环境温度ta，壳温测量位置在芯片中心正下方igbt模块基板上，环境温度则为散热器进风口的空气温度。

(4)借助拟合壳温相对于环境温度的曲线，获得热网络的自然频率；

在本实施例中，步骤(4)具体包括：利用非线性最小二乘法，通过拟合壳温相对于环境温度tca(t)＝tc(t)-ta的曲线来获得热网络时间常数，拟合形式为其中a1a2a3为拟合系数，t为测量壳温过程中的时间。

(5)将四组散热条件下拟合得到的热网络时间常数代入约束方程组中，辨识出igbt模块和散热系统的热阻和热容值。

在本实施例中，步骤(5)具体包括：将步骤(4)中拟合得到的τ1，τ2，τ3、τ′1，τ′2，τ′3、τ″1，τ″2，τ″3和τ″′1，τ″′2，τ″′3带入步骤(2)中建立的约束方程组中，辨识出igbt模块和散热系统的热阻和热容值。

在本实施例中，igbt模块及其散热系统热参数辨识方法主要包括三阶等效考尔型热网络模型的建立、热网络时间常数和热网络参数之间的约束方程组、利用壳温以及环境温度实现热网络时间常数的提取，本发明可以对igbt模块及其散热系统热参数同时实现辨识，而且无需测量功率损耗以及结温，降低了硬件的成本以及操作的复杂性。