逆变器中功率模块结温预测方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及功率模块结温预测技术领域，具体地涉及一种逆变器中功率模块结温预测方法、一种逆变器中功率模块结温预测装置、一种终端设备及一种计算机存储介质。


背景技术：

2.逆变器中的功率模块是实施电机控制的重要执行部分。功率模块，例如igbt(绝缘栅极晶体管)模块在工作时会产生很大的热损耗，造成芯片pn结处温度(结温)的上升及波动，当结温超过某一限值时会导致igbt模块的失效。因此，对功率模块的工作结温进行准确预测有利于指导逆变器的设计、以保证逆变器的稳定运行。但是目前，对功率模块的温度检测通常是采用温度传感器来实现，然而，温度传感器的采样值并不能真实的反应功率模块的实际温度，温差会随着传感器安装位置、装配工艺、开关载波及负载运行工况等因素的不同而有所差异，温度传感器采样得到的结温值并不准确。


技术实现要素：

3.本发明实施方式的目的是提供一种逆变器中功率模块结温预测方法、装置、设备及存储介质，以解决现有方法无法准确预测逆变器中功率模块的工作结温的问题。
4.为了实现上述目的，在本发明的第一方面，提供一种逆变器中功率模块结温预测方法，所述逆变器用于驱动电机，所述方法包括：
5.获取所述逆变器的工作参数信息及所述电机的工作参数信息；
6.获取所述电机的矢量控制模型，根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述电机的矢量控制模型确定所述功率模块的开关状态信息；
7.根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的功率损耗；
8.获取所述功率模块的热阻网络模型，根据所述功率模块在单位开关周期内的功率损耗及所述功率模块的热阻网络模型预测所述功率模块在对应单位开关周期的结温。
9.可选地，所述功率模块的功率损耗包括所述功率模块的通态损耗及瞬态损耗；根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的功率损耗，包括：
10.根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的通态损耗；
11.根据所述逆变器的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的瞬态损耗。
12.可选地，根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的通态损耗，包括：
13.根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内每个预设时刻的通态损耗；
14.以所述功率模块在单位开关周期内所有预设时刻的通态损耗的平均值作为所述功率模块在单位开关周期内的通态损耗。
15.可选地，根据所述逆变器的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的瞬态损耗，包括：
16.根据所述逆变器的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内每个预设时刻的的瞬态损耗；
17.以所述功率模块在单位开关周期内所有预设时刻的瞬态损耗的平均值作为所述功率模块在单位开关周期内的瞬态损耗。
18.可选地，所述逆变器的工作参数信息包括逆变器的调制比及所述功率模块的开关频率；所述电机的工作参数信息包括所述电机的电角速度；所述电机的矢量控制模型为空间矢量脉宽调制模型，所述空间矢量脉宽调制模型用于对所述电机进行矢量控制；
19.根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述电机的矢量控制模型确定所述功率模块的开关状态信息，包括：
20.依据所述逆变器的调制比、所述功率模块的开关频率、所述电机的电角速度以及所述空间矢量脉宽调制模型确定所述功率模块的开关状态信息；
21.所述功率模块的开关状态信息包括所述功率模块的开关状态及所述功率模块对应的开关状态在单位开关周期内的作用时间。
22.可选地，所述逆变器的工作参数信息还包括逆变器的输出电压相位角；所述电机的工作参数还包括所述电机的相电流有效值；
23.根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的通态损耗，包括：
24.根据所述电机的相电流有效值及逆变器的输出电压相位角确定所述逆变器的输出相电流；
25.根据所述逆变器的输出相电流及所述功率模块的开关状态确定所述功率模块的通态电流；
26.基于所述功率模块的通态电流确定所述功率模块的通态电压，根据所述功率模块的通态电压和所述功率模块的通态电流确定所述功率模块在单位开关周期内的通态损耗。
27.可选地，所述逆变器的工作参数还包括逆变器的输入母线电压；根据所述逆变器的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块单位开关周期内的瞬态损耗，包括：
28.根据所述功率模块对应的开关状态在单位开关周期内的作用时间及所述逆变器的输入母线电压，基于双脉冲测试法确定所述功率模块单位开关周期内的瞬态损耗。
29.在本发明的第二方面，提供一种逆变器中功率模块结温预测装置，应用上述的逆变器中功率模块结温预测方法，所述装置包括：
30.数据获取模块，被配置为获取所述逆变器的工作参数信息及所述电机的工作参数信息；
31.第一计算模块，被配置为获取所述电机的矢量控制模型，根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述电机的矢量控制模型确定所述功率模块的开关状态信息；
32.第二计算模块，被配置为根据所述逆变器的工作参数信息、所述电机的工作参数信息及所述功率模块的开关状态信息确定所述功率模块在单位开关周期内的功率损耗；
33.第三计算模块，被配置为获取所述功率模块的热阻网络模型，根据所述功率模块在单位开关周期内的功率损耗及所述功率模块的热阻网络模型预测所述功率模块在对应单位开关周期的结温。
34.在本发明的第三方面，提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的逆变器中功率模块结温预测方法的步骤。
35.在本发明的第四方面，提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理执行时实现上述的逆变器中功率模块结温预测方法的步骤。
36.本发明上述技术方案基于逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及电机的矢量控制模型确定功率模块的开关状态信息，进而根据功率模块的开关状态信息及逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息确定功率模块在单位开关周期内的功率损耗，进而依据功率模块的热阻网络模型预测功率模块在对应开关周期内的结温，相比现有技术，对于功率模块的结温预测不受传感器的影响，预测结果更准确，且能够预测功率模块在任一电周期内任一开关周期的动态结温。
37.本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
38.附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
39.图1是本发明优选实施方式提供的一种逆变器中功率模块结温预测方法的方法流程图；
40.图2是本发明优选实施方式提供的功率模块结温计算流程示意图；
41.图3是本发明优选实施方式提供的三相电压源逆变器等效电路示意图；
42.图4是本发明优选实施方式提供的三相电压源逆变器空间电压基矢量分布示意图；
43.图5是本发明优选实施方式提供的sa桥臂的igbt模块的开关状态解析函数的实例结果示意图；
44.图6是本发明优选实施方式提供的sa桥臂igbt模块的通态电流解析函数的实例结果示意图；
45.图7是本发明优选实施方式提供的igbt模块输出特性示意图；
46.图8是本发明优选实施方式提供的sa桥臂igbt模块的通态损耗实例结果示意图；
47.图9是本发明优选实施方式提供的sa桥臂igbt模块的瞬态开关损耗解析函数的实例结果示意图；
48.图10是本发明优选实施方式提供的igbt模块在单位开关周期内的总损耗实例结果示意图；
49.图11是本发明优选实施方式提供的sa桥臂igbt模块在单位电周期内的动态工作结温预测结果示意图；
50.图12是本发明优选实施方式提供的一种逆变器中功率模块结温预测装置示意框图。
51.附图标记说明
52.210-数据获取模块，220-第一计算模块，230-第二计算模块，240-第三计算模块。
具体实施方式
53.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
54.如图1及图2所示，在本实施方式的第一方面，提供一种逆变器中功率模块结温预测方法，逆变器用于驱动电机，方法包括：
55.s100、获取逆变器的工作参数信息及电机的工作参数信息；
56.s200、获取电机的矢量控制模型，根据逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及电机的矢量控制模型确定功率模块的开关状态信息；
57.s300、根据逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及功率模块的开关状态信息确定功率模块在单位开关周期内的功率损耗；
58.s400、获取功率模块的热阻网络模型，根据功率模块在单位开关周期内的功率损耗及功率模块的热阻网络模型预测功率模块在对应单位开关周期的结温。
59.如此，本实施方式基于逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及电机的矢量控制模型确定功率模块的开关状态信息，进而根据功率模块的开关状态信息及逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息确定功率模块在单位开关周期内的功率损耗，进而依据功率模块的热阻网络模型预测功率模块在对应开关周期内的结温，相比现有技术，对于功率模块的结温预测不受传感器的影响，预测结果更准确，且能够预测功率模块在任一开关周期的动态结温。
60.具体的，电动汽车通过逆变器实现对电机的矢量控制，而功率模块是逆变器实施电机控制的重要执行部分，在电动汽车的电机参数确定的情况下，精确预测功率模块的工作结温有利于工程师准确评估功率模块的性能，从而指导逆变器的设计，以保证逆变器能稳定运行。igbt模块既具有mosfet器件驱动功率小和开关速度快的特点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的特点，因此，在本实施方式中，逆变器中的功率模块采用igbt模块。其中，逆变器的工作参数信息包括逆变器的输入母线电压vdc、逆变器的调制比m、igbt模块的开关频率fsw及逆变器的输出电压相位角电机的工作参数信息包括电机的电角速度ωe及电机的相电流有效值i
phase_rms
，其中，逆变器的工作参数信息及电机的工作参数信息均可预先直接获取。这样，在逆变器的工作参数信息及电机的工作参数信息已知的情况下，依据电机的矢量控制模型，例如svpwm模型，从而能确定电机在稳态状态下的任一电周期内，igbt模块的开关状态信息，其中，电周期可以根据电机转速确定。开关状态信息包括igbt模块的开关状态是导通或者断开，以及igbt模块在任一电周期内的任一单位开关周期内的作用时间，例如，igbt模块在单位开关周期内的导通作用时间或断开作用时间。在得到igbt模块的开关状态信息后，根据逆变器的输出电压相位角电机的电角速度ωe及电机
的相电流有效值iphase_rms，依据公式计算得到逆变器的三相输出电流，从而根据igbt模块的当前开关状态得到igbt模块的在单位开关周期的导通电流，又由于igbt模块一般工作在饱和区，在饱和区内，igbt模块的输出特性表现为线性，进而根据igbt模块的输出特性得到igbt模块的导通电压，从而能根据igbt模块的导通电流和导通电压计算得到igbt模块在单位开关周期的功率损耗，进而根据预先构建的热阻网络模型预测igbt模块在对应单位开关周期的结温。其中，预先构建的热阻网络模型可以是基于foster网络模型的igbt模块等效热阻模型。
61.本实施方式中，电机的矢量控制模型为空间矢量脉宽调制模型(svpwm模型)，其中，空间矢量脉宽调制模型用于对电机进行矢量控制；在步骤s200中，确定功率模块的开关状态信息，包括：
62.依据逆变器的调制比m、功率模块的开关频率fsw、电机的电角速度ωe以及空间矢量脉宽调制模型确定功率模块的开关状态信息；其中，功率模块的开关状态信息包括功率模块的开关状态及功率模块对应的开关状态在单位开关周期内的作用时间。
63.如图3所示，本实施方式以逆变器为三相电压源逆变器为例对svpwm模型进行说明，其中，sa、sb及sc分别表示三相电压源逆变器的三个上桥臂，由于sa、sb及sc对应的下桥臂工作状态与上桥臂的工作状态必然相反，因此，本实施方式不再对下桥臂进行说明。其中，每个桥臂为一个igbt模块，下述用
‘0’
和
‘1’
分别表示igbt模块的关断和闭合状态。
64.根据sa、sb、sc的开关逻辑，可以组合得到8个空间矢量：基矢量v1、v2、v3、v4、v5、v6以及零矢量v0、v7。如图4所示，基矢量v1、v2、v3、v4、v5、v6将360度的电压空间划分为了6个扇区。按照伏秒平衡原则，任意一个空间电压矢量在单位开关周期内的积分，可由对应扇区内相邻的两基矢量等效合成。
65.例如，在扇区1内的需求电压矢量vrq，对应电角度为θ(t)＝we*t，根据矢量等效合成原理，有其中，t
100
、t
110
分别表示基矢量在单位开关周期内的作用时间，，t
pwm
为单位开关周期的时间。
66.为了减少igbt模块的开关次数以及降低pwm的谐波分量，本实施方式的svpwm模型基于7段式svpwm调制法构建，svpwm模型构建过程具体如下：
[0067][0068]
t
pwm
＝t
100
+t
110
+2*t0；
[0069]
将上述公式进一步分解得到：
[0070][0071][0072]
进一步求解得到：
[0073]
[0074][0075][0076]
其中，t0表示零矢量。
[0077]
依此类推，如表1所示，可计算出其余扇区内对应基矢量和零矢量在单位开关周期内的持续时间。
[0078][0079][0080]
表1
[0081]
基于svpwm模型，利用相关数学软件例如matlab即可构建输出三相电流对应的igbt模块的开关状态解析函数模型，例如：pwm_pattern
tr
(t)、pwm_pattern
ts
(t)、pwm_pattern
tt
(t)，其中，pwm_pattern
tr
(t)表示输出a相对应的上桥臂igbt模块的开关状态解析函数，pwm_pattern
ts
(t)表示输出b相对应的上桥臂igbt模块的开关状态解析函数，pwm_pattern
tt
(t)表示输出c相对应的上桥臂igbt模块的开关状态解析函数，sa桥臂的igbt模块的开关状态解析函数的实例结果如图5所示。
[0082]
在功率模块的工作过程中，功率模块的功率损耗主要包括功率模块的通态损耗及瞬态损耗；因此，步骤s300包括：
[0083]
s310、根据逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及功率模块的开关状态信息确定功率模块在单位开关周期内的通态损耗；
[0084]
其中，步骤s310包括：根据电机的相电流有效值i
phase_rms
及逆变器的输出电压相位角确定逆变器的输出相电流；根据逆变器的输出相电流及功率模块的开关状态确定功率模块的通态电流；基于所述功率模块的通态电流确定功率模块的通态电压，根据功率模块的通态电压和功率模块的通态电流确定功率模块在单位开关周期内的通态损耗。
[0085]
建立逆变器的输出相电流解析函数如下：
[0086]
[0087][0088][0089]
其中，i
pr
(t)表示a相电流，i
ps
(t)表示b相电流，i
pt
(t)表示c相电流。
[0090]
定义三相电流由输出端流向电机输入端为正方向，对于高边三相桥臂sa、sb、sc，当任意桥臂的开关状态为逻辑
‘1’
，且同时刻下对应相电流为正值时，表示该桥臂igbt模块流过导通电流；反之，表示该igbt模块处于关断状态或者二极管续流状态。则，进一步建立sa桥臂igbt模块的通态电流解析函数为：
[0091][0092]
sa桥臂igbt模块的通态电流解析函数的实例结果示意图如图6所示。
[0093]
同理，可得sb桥臂和sc桥臂的igbt模块的通态电流解析函数，本实施方式仅以sa桥臂igbt模块的结温预测为例进行说明。
[0094]
由于igbt模块通常工作在饱和区，如图7所示，在饱和区内igbt模块的输出特性表现为线性，故存在igbt模块通态电压与通态电流输出特性的解析函数为：
[0095]vce
(i
ce
)＝v
ce0
+r
ce
*i
ce
；
[0096]
其中，v
ce0
表示igbt模块的门槛电压，r
ce
为igbt模块的导通电阻，i
ce
为igbt模块的导通电流，在本实施方式中，igbt模块的导通电流即igbt模块的通态电流，其中，v
ce0
及r
ce
可根据igbt模块型号直接获取。
[0097]
则，构建sa桥臂igbt模块的通态损耗解析函数为：
[0098]
p
conducting_loss
(t)＝i
ttr
(t)*v
ce
(i
ttr
(t))；
[0099]
sa桥臂igbt模块的通态损耗实例结果如图8所示。
[0100]
s320、根据逆变器的工作参数信息及功率模块的开关状态信息确定功率模块在单位开关周期内的瞬态损耗；具体的，步骤s320包括：
[0101]
依据功率模块对应的开关状态在单位开关周期内的作用时间及逆变器的输入母线电压vdc，基于双脉冲测试法确定功率模块在单位开关周期内的瞬态损耗。
[0102]
基于igbt模块的通态电流解析函数及双脉冲测试法标定的igbt模块开关损耗，可建立sa桥臂igbt模块的瞬态开关损耗解析函数为：
[0103][0104]
其中，e
on_calibration
表示经双脉冲测试法标定的igbt模块的开通损耗，i
ref
表示经双脉冲测试法标定的igbt模块的参考电流，e
off_calibration
表示经双脉冲测试法标定的igbt模块的关断损耗，δt表示igbt模块的开通作用时间或关断作用时间，表示经通态电流解析函数得到的igbt模块的瞬态开通时的电流，表示经通态电流解析函数得到的igbt模块的瞬态关断时的电流，t表示当前时刻。sa桥臂igbt模块的瞬态开关损耗解
析函数的实例结果如图9所示。
[0105]
为了降低计算量，提高计算效率，在本实施方式中，将单位开关周期划分为n个时间段，例如，可以将单位开关周期划分为n个1us，则，步骤s310还包括：
[0106]
根据构建的通态损耗解析函数确定功率模块在单位开关周期内每个预设时刻的通态损耗，分别计算igbt模块在t为1us，t为2us，...，t为nus时的通态损耗，基于通态损耗解析函数构建通态损耗平均化解析函数，经通态损耗平均化解析函数，以igbt模块在单位开关周期内所有预设时刻的通态损耗的平均值作为功率模块在单位开关周期内的通态损耗；通态损耗平均化解析函数为：
[0107][0108]
其中，δt表示每个时间段的持续时间，本实施方式中δt＝1us，t
n_pwm
表示t时刻对应的第n个开关周期。
[0109]
同理，步骤s320还包括：
[0110]
根据瞬态开关损耗解析函数确定igbt模块在单位开关周期内每个预设时刻的瞬态损耗；基于瞬态开关损耗解析函数构建瞬态损耗平均化解析函数，经瞬态开关损耗解析函数，以功率模块在单位开关周期内所有预设时刻的瞬态损耗的平均值作为功率模块在单位开关周期内的瞬态损耗，瞬态开关损耗平均化解析函数为：
[0111][0112]
则，igbt模块在单位开关周期内的总损耗p
total-loss
(δt)为igbt模块在单位开关周期内的通态损耗平均值与igbt模块在单位开关周期内的瞬态损耗平均值之和，igbt模块在单位开关周期内的总损耗p
total-loss
(δt)的实例结果如图10所示。
[0113]
在每个单位开关周期内，每个预设时刻的通态损耗和瞬态损耗均有微小的差异，为了减少计算量，提高计算效率，以得到的平均值作为每个单位开关周期的通态损耗和瞬态损耗，这样，在计算igbt模块在任一单位电周期内的任一单位开关周期时的通态损耗和瞬态损耗时，能在有效减少计算量的同时保证计算结果的准确率，进而能够准确计算任一单位电周期内的任一单位开关周期时的igbt模块的功率损耗。
[0114]
在步骤s400中，本实施方式的热阻网络模型由基于foster网络模型构建igbt模块等效热阻模型得到，热阻网络模型的时域函数表达式为：
[0115]
则，构建igbt模块的结温预测模型为：
[0116]
δtj＝(p
conducting_loss_igbt_ave
(t)+p
switching_loss_igbt_ave
(t))*
[0117]zth_igbt
(t)，以得到的igbt模块的通态损耗的平均值和igbt模块的瞬态损耗的平均值为输入，经igbt模块的结温预测模型得到igbt模块的结温，以sa桥臂的igbt模块为例，其在单位电周期内的动态工作结温预测结果如图11所示。
[0118]
如图12所示，在本发明的第二方面，提供一种逆变器中功率模块结温预测装置，应
用上述的逆变器中功率模块结温预测方法，装置包括：
[0119]
数据获取模块，被配置为获取逆变器的工作参数信息及电机的工作参数信息；
[0120]
第一计算模块，被配置为获取电机的矢量控制模型，根据逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及电机的矢量控制模型确定功率模块的开关状态信息；
[0121]
第二计算模块，被配置为根据逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息及功率模块的开关状态信息确定功率模块在单位开关周期内的功率损耗；
[0122]
第三计算模块，被配置为获取功率模块的热阻网络模型，根据功率模块在单位开关周期内的功率损耗及功率模块的热阻网络模型预测功率模块在对应单位开关周期的结温。
[0123]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述装置中模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0124]
在本发明的第三方面，提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的逆变器中功率模块结温预测方法的步骤。
[0125]
在本发明的第四方面，提供一种计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理执行时实现上述的逆变器中功率模块结温预测方法的步骤。
[0126]
综上所述，本实施方式基于获取到的逆变器的工作参数信息、电机的工作参数信息，通过构建的功率模块的开关状态解析函数、通态电流解析函数、通态损耗解析函数、瞬态损耗解析函数及热阻网络模型，能有效的预测igbt模块在电机稳态工作下任一电周期内的任一开关周期的动态结温，相比现有技术，预测结果更准确且适用范围更广，从而有利于指导逆变器的设计，缩短逆变器的设计流程。
[0127]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
[0128]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0129]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。