确定IGBT模块最佳直流电压的方法及装置与流程

本发明涉及晶体管
技术领域：
，尤其涉及确定igbt模块最佳直流电压的方法及装置。
背景技术：
：随着我国对可再生能源的大力发展，风力、光伏发电等在电力产业中的比重迅速提高。工业调查表明，新能源发电系统发生故障的很大一部分原因可归结于并网逆变器的故障，而逆变器的故障中，功率器件的故障是主要原因之一。因此研究如何使igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)模块稳定可靠地运行是非常重要的。直流电压是影响igbt模块可靠性的重要因素之一，并网逆变器直流侧工作电压有较大的范围，通常的做法是根据实际工作电压及相关的降额准则来粗略地确定igbt模块的型号。这种通用性的标准虽然简单易行，但缺少对igbt模块实际工作环境的考量，往往不能使igbt模块运行在最佳的可靠性水平上。技术实现要素：本发明实施例提供一种确定igbt模块最佳直流电压的方法，用以提升igbt模块的可靠性水平，该方法包括：计算igbt模块的损耗；确定直流电压与igbt模块损耗的关系；根据直流电压与igbt模块损耗的关系，结合igbt模块的热网络模型，获得igbt模块的结温波动曲线；根据igbt模块的结温波动曲线，计算igbt模块的损伤度；计算设定开关频率下不同直流电压对应igbt模块的损伤度，将其中损伤度最小值对应的直流电压确定为该设定开关频率下igbt模块的最佳直流电压。本发明实施例还提供一种确定igbt模块最佳直流电压的装置，用以提升igbt模块的可靠性水平，该装置包括：损耗计算模块，用于计算igbt模块的损耗；关系确定模块，用于确定直流电压与igbt模块损耗的关系；曲线获得模块，用于根据直流电压与igbt模块损耗的关系，结合igbt模块的热网络模型，获得igbt模块的结温波动曲线；损伤度计算模块，用于根据igbt模块的结温波动曲线，计算igbt模块的损伤度；最佳直流电压确定模块，用于计算设定开关频率下不同直流电压对应igbt模块的损伤度，将其中损伤度最小值对应的直流电压确定为该设定开关频率下igbt模块的最佳直流电压。本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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确定igbt模块最佳直流电压的方法。本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述确定igbt模块最佳直流电压的方法的计算机程序。本发明实施例一方面可以确定igbt模块的最佳直流电压，能够有效改善igbt模块的运行温度，进而提升igbt模块的可靠性水平；另一方面也可以根据工作电压的需要，选取可靠性最佳的igbt模块。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本发明实施例中确定igbt模块最佳直流电压的方法示意图；图2为本发明实施例中igbt导通损耗与直流电压关系曲线示例图；图3为本发明实施例中igbt开关损耗与直流电压关系曲线示例图；图4为本发明实施例中igbt功率损耗与直流电压关系曲线示例图；图5为本发明实施例中二极管导通损耗与直流电压关系曲线示例图；图6为本发明实施例中二极管开关损耗与直流电压关系曲线示例图；图7为本发明实施例中二极管功率损耗与直流电压关系曲线示例图；图8为本发明实施例中igbt模块的foster热网络模型示例图；图9为本发明实施例中igbt结温波动曲线示例图；图10为本发明实施例中二极管结温波动曲线示例图；图11为本发明实施例中igbt模块的结温波动与最大循环次数的关系示例图；图12为本发明实施例中确定igbt模块最佳直流电压的装置的示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。本发明实施例提出一种从可靠性的角度来确定igbt模块最佳直流电压的方法，该方法以获得igbt模块最佳可靠性为目标来计算igbt模块最佳直流电压，通过分析直流电压对igbt模块导通损耗和开关损耗的影响，可以迅速获得igbt模块在设定开关频率下的最佳直流电压。该方法一方面可以确定igbt模块的最佳直流电压，能够有效改善igbt模块的运行温度，进而提升igbt模块的可靠性水平；另一方面也可以根据工作电压的需要，选取可靠性最佳的igbt模块。图1为本发明实施例中确定igbt模块最佳直流电压的方法示意图，如图1所示，该方法可以包括：步骤101、计算igbt模块的损耗；步骤102、确定直流电压与igbt模块损耗的关系；步骤103、根据直流电压与igbt模块损耗的关系，结合igbt模块的热网络模型，获得igbt模块的结温波动曲线；步骤104、根据igbt模块的结温波动曲线，计算igbt模块的损伤度；步骤105、计算设定开关频率下不同直流电压对应igbt模块的损伤度，将其中损伤度最小值对应的直流电压确定为该设定开关频率下igbt模块的最佳直流电压。具体实施时，先计算igbt模块的损耗。igbt模块的损耗可分为导通损耗和开关损耗，两种损耗与igbt模块两端的电压及流经的电流有直接关系。电流的大小主要由逆变器的输入功率决定，并随功率的波动而不断发生变化；而电压的大小则可以通过对逆变器直流侧设备进行相应的结构配置而设定。实施例中，计算igbt模块的损耗，可以包括：确定igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数；根据igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数，计算igbt的导通损耗和开关损耗；根据igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数，计算二极管的导通损耗和开关损耗；将igbt的导通损耗和开关损耗与二极管的导通损耗和开关损耗相加，获得igbt模块的损耗。其中，先确定igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数。例如，以额定功率500kw的逆变器为例，其igbt模块通常采用英飞凌公司ff1400r121p4，直流电压工作范围为450v～850v，开关频率1k～4khz。实施例中，可以按如下公式计算igbt的导通损耗：其中，pcond_igbt为igbt在一个工频周期内的平均导通损耗；vce0为igbt的门槛压降；i为流经igbt的电流幅值；rc为igbt的导通电阻；m为调制度；cosφ为功率因数。实施例中，当逆变器采用三相spwm调制时，其直流侧电压与交流侧线电压的关系为：其中，u为逆变器交流侧线电压有效值，ud为直流电压。实施例中，可以按如下公式计算igbt的开关损耗：其中，psw_tr为igbt一次通断产生的开关损耗；fsw为开关频率；eon为igbt额定条件下的开通损耗，例如可以取80mj；eoff为igbt额定条件下的关断损耗，例如可以取280mj；udc为igbt实际的工作电压；un为igbt的额定电压；ic为igbt实际的工作电流；in为igbt的额定电流；为igbt开关能量损耗的温度修正系数；为igbt的结温。igbt模块反向并联的二极管与igbt交替导通，实施例中，可以按如下公式计算二极管的导通损耗：其中，pcond_diode为二极管的导通损耗；vt0为二极管的门槛压降；it为流经二极管的电流幅值；rt为二极管的导通电阻。对于二极管，直流电压越高，调制度m越小，二极管的导通损耗越大。二极管一般具有快恢复特性，其开通损耗可以忽略不计。关断过程中，由于二极管的反向阻断能力需要一定的恢复时间，此时流经二极管的电流和其端电压共同作用产生关断损耗，又称反向恢复损耗。在实施例中可以按如下公式计算二极管的开关损耗：其中，psw_d为二极管的开关损耗；erec为二极管额定条件下的反向恢复损耗，例如可以取110mj；u'dc为二极管实际的工作电压；u'n为二极管的额定电压；i'c为二极管实际的工作电流；i'n为二极管的额定电流；为二极管关断能量损耗的温度修正系数，例如可以取-0.0036；tjd为二极管的结温。将igbt的导通损耗和开关损耗与二极管的导通损耗和开关损耗相加，可以获得igbt模块的损耗。在计算出igbt模块的损耗后，可以确定直流电压与igbt模块损耗的关系。例如，分别计算igbt和二极管在一个工频周期内的平均导通损耗和开关损耗，可知直流电压与igbt的导通损耗成反比关系，与igbt的开关损耗成正比关系；与二极管的导通损耗成正比关系，与二极管的开关损耗成正比关系。igbt和二极管总的功率损耗为导通损耗与开关损耗之和，由于直流电压与igbt的导通损耗成反比，与开关损耗成正比，两者之和在直流工作电压范围内存在最值，例如可以如图2～4所示，其中图2为igbt导通损耗与直流电压关系曲线示例图，图3为igbt开关损耗与直流电压关系曲线示例图，图4为igbt功率损耗与直流电压关系曲线示例图；直流电压与二极管的导通损耗成正比，与二极管的开关损耗成正比，例如可以如图5～7所示，其中图5为二极管导通损耗与直流电压关系曲线示例图，图6为二极管开关损耗与直流电压关系曲线示例图，图7为二极管功率损耗与直流电压关系曲线示例图。因此，直流电压与igbt模块的损耗之间的关系，不是单调性的，成为本发明实施例的基础理论之一。在确定直流电压与igbt模块损耗的关系后，根据直流电压与igbt模块损耗的关系，结合igbt模块的热网络模型，获得igbt模块的结温波动曲线。例如，图8示出了gbt模块的foster热网络模型，图9为igbt结温波动曲线示例图，图10为二极管结温波动曲线示例图。在图8中pigbt表示igbt的功率损耗；rthjc1_tr，rthjc2_tr，rthjc3_tr，rthjc4_tr，rthjc1_d，rthjc2_d，rthjc3_d，rthjc4_d为功率模块中的电阻；cthjc1_tr，cthjc2_tr，cthjc3_tr，cthjc4_tr，cthjc1_d，cthjc2_d，cthjc3_d，cthjc4_d为功率模块中的电容；rthch_tr，rthch_tr为导热介质中的电阻；cthch_tr，cthch_tr为导热介质中的电容；rthha为散热器中的电阻；cthha为散热器中的电容；ta为igbt模块的环境温度。在获得igbt模块的结温波动曲线后，可以根据igbt模块的结温波动曲线，计算igbt模块的损伤度。实施例中，可以先确定igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系，再根据igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系计算igbt模块的损伤度。功率器件的损坏主要由功率波动引起的热机械应力引起，将导致器件及封装的机械形变和疲劳损伤累积，其寿命主要与工作中的结温均值和结温波动值有关。在实施例中，igbt模块可靠性计算可以采用coffin-manson失效寿命模型，获得igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系。如图11所示，为igbt模块的结温波动与最大循环次数的关系示例图。coffin-manson失效寿命模型可以如下式所示：其中，nf(tjmax,δtj)为igbt模块在结温波动值为δtj、最大结温均值为tjmax时的最大循环周期次数；a为常数2.78×1015；α为常数6.085；q为激活能3.22×10-21j/k；r为玻尔兹曼常量1.38×10-21j/k。线性累积损伤理论认为各应力引起的疲劳损伤是各应力引起损伤的线性累加，实施例中，可以按如下公式根据igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系计算igbt模块的损伤度：其中，d为igbt模块的循环总损伤；di为在不同应力水平下的损伤；i＝1～k，为考虑应力水平的次数；ni(tm,δtj)为igbt模块在结温波动值为δtj、结温均值为tm时的功率循环次数；ni(tm,δtj)为igbt模块在结温波动值为δtj，结温均值为tm时的最大功率循环次数。实施例中，进一步的，可以采用雨流计数法统计igbt模块在各结温均值与结温波动值下的功率循环次数和损伤度，进而确定igbt模块的失效率。实施例中，igbt模块的结温均值越低，波动幅值越小，该器件的最大功率循环次数越大，可靠性也越高。在计算出igbt模块的损伤度后，计算设定开关频率下不同直流电压对应igbt模块的损伤度，将其中损伤度最小值对应的直流电压确定为该设定开关频率下igbt模块的最佳直流电压。在实施例中，先分析不同直流电压对igbt模块损伤度的影响。igbt模块的总损伤为igbt与二极管损伤度之和，表1为直流电压450v～850v时，2khz开关频率100s内igbt模块损伤度。如表1所示，在本例计算条件下，开关频率为2khz时，直流电压在600～650v附近时功率器件的损伤度最低。表1：开关频率2khz时igbt模块的损伤度直流电压/v损伤度8501.67×10-67501.59×10-66501.45×10-66001.45×10-65501.52×10-64501.66×10-6改变器件的开关频率，获得不同开关频率下，直流电压对igbt模块损伤度的影响情况，详见表2～4所示：表2开关频率1khz时igbt模块的损伤度直流电压/v损伤度8506.57×10-77506.93×10-76506.93×10-75508.54×10-74501.04×10-6表3开关频率3khz时igbt模块的损伤度直流电压/v损伤度8503.89×10-67503.35×10-66502.87×10-65502.54×10-65002.54×10-64502.64×10-6表4开关频率4khz时igbt模块的损伤度直流电压/v损伤度8508.24×10-67506.57×10-66505.18×10-65504.33×10-65004.03×10-64504.33×10-6综合以上数据，可以获得不同开关频率下igbt模块的最佳直流电压，如表5所示：表5不同开关频率下igbt模块的最佳直流电压开关频率/hz最低损伤度对应电压/v10008502000600～6503000500～5504000500在本例计算条件下，功率器件运行在高可靠性下对应的电压受开关频率的影响：开关频率小于1000hz时，直流电压越高，器件的损伤度越小；当开关频率高于4000hz时，直流电压越高，器件的损伤度越大；当开关频率在1000～4000hz之间时，器件存在最佳工作电压，例如开关频率为3khz时，直流电压在500～550v附近时功率器件的损伤度最低；开关频率为4khz时，直流电压在500v附近时功率器件的损伤度最低。功率器件是逆变器的重要组成元件，也是逆变器可靠性的薄弱环节。直流侧电压是影响功率器件可靠性的重要因素之一，通常逆变器直流输入电压范围较大，选择合理的输入电压可以降低功率器件的损伤度，进而提高逆变器的整体可靠性。为了提高功率器件的可靠度，开关频率较低时，可以适当提高逆变器直流电压；开关频率较高时，可以适当降低逆变器直流电压。本发明实施例中还提供了一种确定igbt模块最佳直流电压的装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与确定igbt模块最佳直流电压的方法相似，因此该装置的实施可以参见确定igbt模块最佳直流电压的方法的实施，重复之处不再赘述。图12为本发明实施例中确定igbt模块最佳直流电压的装置的示意图，如图12所示，该装置可以包括：损耗计算模块1201，用于计算igbt模块的损耗；关系确定模块1202，用于确定直流电压与igbt模块损耗的关系；曲线获得模块1203，用于根据直流电压与igbt模块损耗的关系，结合igbt模块的热网络模型，获得igbt模块的结温波动曲线；损伤度计算模块1204，用于根据igbt模块的结温波动曲线，计算igbt模块的损伤度；最佳直流电压确定模块1205，用于计算设定开关频率下不同直流电压对应igbt模块的损伤度，将其中损伤度最小值对应的直流电压确定为该设定开关频率下igbt模块的最佳直流电压。一个实施例中，所述损耗计算模块1201可以进一步用于：确定igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数；根据igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数，计算igbt的导通损耗和开关损耗；根据igbt模块的直流电压工作范围、开关频率及器件参数，计算二极管的导通损耗和开关损耗；将igbt的导通损耗和开关损耗与二极管的导通损耗和开关损耗相加，获得igbt模块的损耗。一个实施例中，所述损耗计算模块1201可以进一步用于：按如下公式计算igbt的导通损耗：其中，pcond_igbt为igbt在一个工频周期内的平均导通损耗；vce0为igbt的门槛压降；i为流经igbt的电流幅值；rc为igbt的导通电阻；m为调制度；cosφ为功率因数；按如下公式计算igbt的开关损耗：其中，psw_tr为igbt一次通断产生的开关损耗；fsw为开关频率；eon为igbt额定条件下的开通损耗；eoff为igbt额定条件下的关断损耗；udc为igbt实际的工作电压；un为igbt的额定电压；ic为igbt实际的工作电流；in为igbt的额定电流；为igbt开关能量损耗的温度修正系数；为igbt的结温；按如下公式计算二极管的导通损耗：其中，pcond_diode为二极管的导通损耗；vt0为二极管的门槛压降；it为流经二极管的电流幅值；rt为二极管的导通电阻；按如下公式计算二极管的开关损耗：其中，psw_d为二极管的开关损耗；erec为二极管额定条件下的反向恢复损耗；u'dc为二极管实际的工作电压；u'n为二极管的额定电压；ic'为二极管实际的工作电流；i'n为二极管的额定电流；为二极管关断能量损耗的温度修正系数；tjd为二极管的结温。一个实施例中，所述损伤度计算模块1204可以进一步用于：确定igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系；根据igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系，计算igbt模块的损伤度。一个实施例中，所述损伤度计算模块1204可以进一步用于：采用coffin-manson失效寿命模型，获得igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系；按如下公式根据igbt模块的结温均值与功率循环次数的关系，计算igbt模块的损伤度：其中，d为igbt模块的循环总损伤；di为在不同应力水平下的损伤；i＝1～k，为考虑应力水平的次数；ni(tm,δtj)为igbt模块在结温波动值为δtj、结温均值为tm时的功率循环次数；ni(tm,δtj)为igbt模块在结温波动值为δtj，结温均值为tm时的最大功率循环次数。一个实施例中，所述损伤度计算模块1204可以进一步用于：采用雨流计数法统计igbt模块在各结温均值与结温波动值下的功率循环次数和损伤度，进而确定igbt模块的失效率。本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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确定igbt模块最佳直流电压的方法。本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述确定igbt模块最佳直流电压的方法的计算机程序。综上所述，本发明实施例一方面可以确定igbt模块的最佳直流电压，能够有效改善igbt模块的运行温度，进而提升igbt模块的可靠性水平；另一方面也可以根据工作电压的需要，选取可靠性最佳的igbt模块。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12