一种绝缘栅双极晶体管igbt模块温度求解算法
【专利摘要】一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块温度求解算法，首先提取IGBT模块的功率损耗模型拟合参数和7阶等效Cauer传热网络模型热阻热容参数以及环境温度，然后根据从电网络模型检测到的当前迭代周期及上一迭代周期的门极触发信号，判断IGBT、反向并联二极管(FWD)在当前迭代周期所处的状态，接着计算出IGBT、FWD在当前迭代周期相应状态的功率损耗，最后IGBT模块传热网络模型综合当前迭代周期的功率损耗及环境温度，求解出IGBT模块温度。本发明提出的IGBT模块温度求解算法不仅可以实现IGBT模块温度的实时计算，而且能够为IGBT模块的散热设计、性能优化、可靠性评估等方面奠定基础。
【专利说明】
-种绝缘栅双极晶体管IGBT模块溫度求解算法
技术领域
[0001] 本发明设及一种溫度求解算法，具体设及一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块溫度求 解算法。
【背景技术】
[0002] 绝缘栅双极晶体管（IGBT)模块溫度不仅直接影响IGBT模块的散热设计、工作性能 和使用寿命，而且还会直接影响到变流器系统的长期可靠性，故获取IGBT模块溫度对于确 保变流器系统的正常安全运行具有重要意义。
[0003] 现有关于IGBT模块娃忍片PN结溫度(结溫）、外壳溫度的获取方法较多。中国专利 ZL :201410205679.8公开的《风电变流器IGBT模块结溫在线计算方法》，在考虑IGBT模块电 热禪合特性的前提下，基于开关周期损耗在线计算IGBT模块结溫；中国专利ZL: 201310442045.X公开的《IGBT模块壳溫的实时估算方法》，通过建立热阻与热容并联的热电 路模型来模拟IGBT模块外壳的热传导过程，进而估算IGBT模块外壳溫度；中国专利化： 201410345265.5公开的《一种IGBT模块工作结溫的在线检测系统及检测方法》，利用溫敏时 间在固定关断电压、电流情况下与IGBT模块工作结溫的密切关系，通过提取溫敏时间间接 计算结溫；中国专利化:201410853960.2公开的《一种IGBT模块的稳态溫度计算方法》，通过 输入IGBT模块的功率损耗、结壳热阻、导热接触材料热阻、散热器至环境的热阻，计算IGBT 模块娃忍片PN结、外壳的稳态溫度。然而，上述专利均未设及到IGBT模块溫度的计算，因为 IGBT模块不仅包括娃忍片PN结、外壳，还包括上焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、下焊料层 和基板等结构层。综上所述，目前尚无有关IGBT模块溫度的获取方法。
[0004] 因此，发明一种全新的IGBT模块溫度求解算法，对于提升IGBT模块在工程应用设 计中的工作与应用效率具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的问题是针对上述现有模型及方法的不足，提供一种绝缘栅双极 晶体管IGBT模块溫度求解算法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[000引步骤一：提取IGBT模块的功率损耗模型拟合参数a、b、c、d和7阶等效化uer传热网 络模型热阻热容参数R、CW及环境溫度Τα;
[0009] 步骤二:根据从电网络模型检测到的当前迭代周期及上一迭代周期的口极触发信 号Vc[k]、Vc[k-U，判断IGBT、反向并联二极管(FWD)在当前迭代周期所处的状态，即导通、开 通或关断状态；
[0010] 步骤立:基于当前迭代周期流经IGBT、FWD的电流电压Ic山、VcE山、If山、Vd山及 结溫TTj比]、TDj比]，计算IGBT、FWD在当前迭代周期相应状态的功率损耗PiDss比];
[0011] 步骤四：IGBT模块传热网络模型综合当前迭代周期的功率损耗PiDss[k]及环境溫 度Τα,求解IGBT模块溫度Τ比+1];
[0012] 步骤五:如果相邻输出周期的溫度迭代变量满足收敛条件，则求解计算终止，输出 IGBT模块的功率损耗PiDss[k]和各层溫度T[k];如果相邻输出周期的溫度迭代变量不满足 收敛条件，则将T[k]、VG[k-l]分别更新为T[k+l]、VG[k]，重复步骤二至四，直到相邻输出周 期的溫度迭代变量满足收敛条件为止。
[0013] 进一步，步骤二判断IGBT、FWD在当前迭代周期所处状态的标准是：
[0016] 进一步，步骤S中的IGBT导通损耗Ptc。。、IGBT开通损耗P。。、IGBT关断损耗Poff、FWD 导通损耗时。Dn、FWD关断损耗(又称反向恢复损耗)Prr分别为：
[0017] PTc〇n(TTj,Ic)=ax · Txj+bx
[001引上式中，aT和bT分别为：
[0019]
[0020] bT = PTcon(TTmin, Ic)-ax · Txmin
[0021] PTcon(TTmin, Ic) =ai · Ic^+bi · Ic^+ci · Ic+dl
[0022] PTcon(Txmax, Ic) =B2 * Ic^+b2 * Ic^+C2 * Ic+d2
[00Z3] 上式中的拟合系数日1、131、(31、(11、日2、62、。2、(12可^通过魁1']^\13拟合工具箱拟合得到。
[0024] FWD导通损耗时。ηη计算方法与上述IGBT导通损耗Ρτ。。。计算方法类似。
[0025] IGBT开通损耗Ρ。。为：
[0026] P〇n = E〇n · fsw · VCE/Vrated
[0027] 上式中，fsw为IGBT开关频率;VcE为IGBT集射工作电压，Vrated为IGBT额定工作电压； 开通能量E。。为：
[002引 E0n = a0n · TTj+bon
[0029] E〇n(TTmin, Ic) =Β3 * Ic^+bs * Ic^+C3 * Ic+ds
[0030] E〇n(Txmax, Ic) =B4 * Ic^+b4 * Ic^+C4 * Ic+d4
[0031]
[003^ b0n = Pon(TTmin, Ic)-a0n · TTmin
[00削上式中的拟合系数曰3、b3、C3、d3、曰4、b4、C4、d4可W通过MATLAB拟合工具箱拟合得到。
[0034] IGBT关断损耗P〇ff、FWD反向恢复损耗Prr计算方法与上述IGBT导通损耗Ptc。。计算方 法类似。
[0035] 进一步，步骤四中的IGBT模块传热网络模型是由与附图1对应的IGBT模块7阶等效 化uer传热网络模型，经过龙格-库塔法差分处理所得，即：
[0036]
[0037] 上式中，4 = 0，1，2,3-，；矩阵1'表示1681'模块从上到下各层溫度的矩阵，即了=[1'1 T2 T3 T4 T5 T6 T7]T;U=[Pi0ss TA]T;tsi^ 仿真步长;矩阵4、8、1(1、1(2、1(3、1(4分别如下式所示， 其中，1?8为散热器热阻。
[00；3 引
[0043] 进一步，步骤五的收敛条件为：
[0044] I |Τ比+n]-T[k] ||〇〇<Μ
[0045] 式中，Μ为预定精度，η为一个输出周期的迭代计算次数。
[0046] 本发明一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块溫度求解算法，可W在保证计算精度的基 础上，避免建模过程复杂、模型参数提取困难、数据储存量过大、仿真耗时严重等问题，为 IGBT模块与变流器系统散热结构的高效设计、工作性能和使用寿命的提高，W及输变电工 程高压直流换流阀、静止无功补偿器、统一潮流控制器的拓扑结构设计、长期可靠性评估等 方面提供服务和奠定基础。
【附图说明】
[0047] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
[004引图1为绝缘栅双极晶体管（IGBT)模块等效化uer传热网络模型示意图。
[0049] 图2为IGBT模块溫度求解算法示意图。
[0050] 图3为IGBT模块垂直层状结构示意图。
[0051] 图4为两电平Ξ相电压源逆变器中IGBT模块溫度仿真求解原理框图。
[0052] 图5为两电平Ξ相电压源逆变器中IGBT模块IGBT忍片及其W下各层溫度。
[0053] 图6为两电平Ξ相电压源逆变器中IGBT模块FWD忍片及其W下各层溫度。
【具体实施方式】
[0054] 如图2所示，一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块溫度求解算法，具体包括W下步骤：
[0055] 步骤一:提取IGBT模块的功率损耗模型拟合参数a、b、C、d。
[0056] 首先，将IGBT模块产品数据手册提供的IGBT最小典型溫度TTmin和最大典型溫度 TTmax下的VcE-Ic输出特性曲线，转化成相应的PTcon-Ic特性曲线;接着，在MATLAB拟合工具箱 中把IGBT通态损耗PTccm用集电极电流Ic的多项式拟合，得到拟合系数曰1、61、(31、山和曰2、62、 〇2、(12。。￥0通态损耗?1。。。的拟合系数提取方法类似。
[0057] 根据IGBT模块产品数据手册提供的IGBT最小典型溫度TTmin和最大典型溫度TTmax下 的Eon-Ic特性曲线，在MTLAB拟合工具箱中把开通能量Eon用集电极电流Ic的多项式拟合，得 到拟合系数曰3、63、[3、(13和曰4、64、。4、(14;16131'关断能量6。。少胖0反向恢复能量61^的拟合系数提 取方法类似。
[005引步骤二:提取IGBT模块的传热网络模型热阻热容参数R、CW及环境溫度Τα。
[0059] 如附图3所示，IGBT模块内部有7个不同层，从上到下分别为:娃忍片、上焊料层、上 铜层、陶瓷层、下铜层、下焊料层和基板。IGBT模块7阶等效化ster传热网络模型的瞬态热阻 抗表达式如下式所示。
[0060]
[0061] 式中，ri、Ti分别为等效化ster传热网络模型第i层的热阻和时间常数。
[0062] 由于IGBT模块产品数据手册通常提供了通过实验测得的IGBT、FWD瞬态热阻抗曲 线，因此对其进行7阶指数级数拟合，可W得到上式的各个未知参数值。对上式进行拉普拉 斯变换，得到：
[0063]
[0064] 根据复阻抗的定义，7阶等效化uer传热网络模型的热阻抗为：
[00 化]
[0066] 根据IGBT模块等效化sterXauer传热网络模型热阻抗恒等的原则，即ZthU-G)(s) =2\4片。)（3)，可^求得7阶等效化116^专热网络模型的各阶热阻把和热容(：1，即1681'模块各 物理结构层的热阻和热容值。
[0067] 步骤根据从电网络模型检测到的当前迭代周期及上一迭代周期的口极触发信 号Vc比]、Vc比-1]，判断IGBT、FWD在当前迭代周期所处的状态，即导通、开通或关断状态。
[0068] 判断IGBT、FWD在当前迭代周期所处状态的标准是：
[0069] 跑BT工作状态
[0070] FWD工作状态
[007。 步骤四：基于当前迭代周期流经IGBT、反向并联二极管(FWD)的电流电压Ic[k]、VcE 山山山、￥〇山及结溫切比]、了"山，计算1681'少胖0在当前迭代周期相应状态的功率损耗 Pi〇ss[k] 〇
[00巧 IGBT导通损耗Ptc。。、IGBT开通损耗P。。、IGBT关断损耗Poff FWD导通损耗时c0n、FWD关 断损耗(又称反向恢复损耗)Prr计算公式分别为：
[0073] PTc〇n(TTj,Ic)=ax · Txj+bx
[0074] 上式中，aT和bT分别为：
[0075]
[0076] bT = PTcon(TTmin, Ic)-ax · Txmin
[0077] PTcon(TTmin, Ic) =ai · Ic^+bi · Ic^+ci · Ic+dl
[007引 PTcon(TTmax, Ic)=日2 · Ic3+b2 · Ic2+C2 · Ic+cb
[0079] FWD导通损耗时。nn计算方法与上述IGBT导通损耗Pt。。。计算方法类似。
[0080] IGBT开通损耗Ρηη计算公式为：
[0081 ] ρ〇" = Ε〇η · fsw · VCE/Vrated
[00剧上式中，fsw为IGBT开关频率;VCE为IGBT集射工作电压，Vrated为IGBT额定工作电压； 开通能量E。。为：
[0083] E〇n = a〇n · Txj+bon
[0084] E〇n(TTmin, Ic) =Β3 * Ic^+bs * Ic^+C3 * Ic+ds [00化]E〇n(TTmax, Ic)=日4 · Ic3+b4 · Ic2+C4 · Ic+cU
[0086]
[0087] b〇n = Pon(Txmin, Ic)-a〇n ? Txmin
[008引 IGBT关断损耗P0ff、FWD反向恢复损耗Prr计算方法与上述IGBT导通损耗Ptc。。计算方 法类似。
[0089] 步骤五：IGBT模块传热网络模型综合当前迭代周期的损耗PiDss[k]及环境溫度Τα， 求解IGBT模块的溫度矩阵T[k+1 ]。
[0090] IGBT模块传热网络模型如下式所示，将IGBT模块当前迭代周期的损耗PiDss[k]及 环境溫度Τα代入其中，即可计算求得IGBT模块溫度矩阵T比+1]。
[0091]
[0092] 上式中，4 = 0，1，2,3-，；矩阵1'表示1681'模块从上到下各层溫度的矩阵，即了=[1'1 Τ2 Τ3 Τ4 Τ5 Τ6 T7]T;tsim为仿真步长；1(1、1(2、1(3、1(4分别如下式所示。
[0093] Ki = A · T[k]+B · U[k]
[0094]
[0095]
[0096] K4 = A · (T[k]+tsim · K3)+B · U(tk+l，T[k]+tsim ·拉）
[0097] 上式中，U=[Pi0ss Ta]t;矩阵A、B如下式所示，其中瓜为散热器热阻。
[009引
[0099] 步骤六:如果相邻输出周期的溫度迭代变量满足收敛条件，则仿真计算终止，输出 IGBT模块的功率损耗PiDss[k]和IGBT模块各层溫度T[k];如果相邻输出周期的溫度迭代变 量不满足收敛条件，则将T[k]、VG[k-l]分别更新为T[k+1]、VG比]，重复步骤二至四，直到相 邻输出周期的溫度迭代变量满足收敛条件。
[0100] 其中，收敛条件为：
[0101] I |T[k+n]-T比]I |〇〇<M
[0102] 式中，Μ为预定精度，η为一个输出周期的迭代计算次数。
[0103] 将上述本发明提出的IGBT模块溫度求解算法编译成动态链接库文件(化L)，并导 入Saber软件中，建立两电平Ξ相电压源逆变器中IGBT模块的溫度计算模型。附图4为两电 平Ξ相电压源逆变器中IGBT模块溫度仿真求解原理框图，IGBT模块溫度的计算结果如附图 5、6所示。图5从上到下分别为IGBT忍片及其W下各层溫度；图6从上到下分别为FWD忍片及 其W下各层溫度。
【主权项】
1. 一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块温度求解算法，其特征在于，实现IGBT模块温度的 快速求解包含以下步骤： 步骤一：提取IGBT模块的功率损耗模型拟合参数a、b、c、d和7阶等效Cauer传热网络模 型热阻热容参数R、C以及环境温度Τα; 步骤二:根据从电网络模型检测到的当前迭代周期及上一迭代周期的门极触发信号Vc [k]、VG[k-l]，判断IGBT、反向并联二极管FWD在当前迭代周期所处的状态，即导通、开通或 关断状态； 步骤三:基于当前迭代周期流经IGBT、FWD的电流电压Ic[k]、VCE[k]、I F[k]、VD[k]及结温 TTj[k]、TDj[k]，计算IGBT、FWD在当前迭代周期相应状态的功率损耗; 步骤四：IGBT模块传热网络模型综合当前迭代周期的功率损耗Plciss[k]及环境温度Ta， 求解IGBT模块温度T[k+1]; 步骤五:如果相邻输出周期的温度迭代变量满足收敛条件，则求解计算终止，输出IGBT 模块的功率损SPlciss[k]和各层温度T[k];如果相邻输出周期的温度迭代变量不满足收敛 条件，则将T[k]、Vc[k-l]分别更新为T[k+l]、Vc[k]，重复步骤二至四，直到相邻输出周期的 温度迭代变量满足收敛条件为止。2. 根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块温度求解算法，其特征在于， 步骤二判断IGBT、FWD在当前迭代周期所处状态的标准是：3. 根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块温度求解算法，其特征在于， 步骤四中的IGBT模块传热网络模型是由IGBT模块7阶等效Cauer传热网络模型，经过龙格-库塔法差分处理所得。4. 根据权利要求1所述的一种绝缘栅双极晶体管IGBT模块温度求解算法，其特征在于， 步骤五的收敛条件为： T[k+n]-T[k] | |〇〇<M 式中，Μ为预定精度，η为一个输出周期的迭代计算次数。
【文档编号】G06F17/50GK105825019SQ201610163608
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】唐波, 刘任, 吴卓, 江浩田, 孙睿
【申请人】三峡大学