CN104458039A - Igbt模块壳温的实时估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT模块壳温的实时估算方法，本方法在IGBT模块的散热片上安装温度传感器，建立热阻与热容并联的热电路模型，模拟IGBT模块外壳的热传导过程，热电路模型中采用电流来代替热量，热电路模型中热阻和热容根据IGBT模块电流输出频率进行线性调整，通过公式计算IGBT模块在第n个采样周期的温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差，进而计算得到在第n个采样周期中，IGBT模块壳温的估算值。本估算方法根据散热片温度和IGBT模块输出电流和频率，实时计算IGBT模块中芯片正下方最高壳温，降低了壳温的估算误差，提高了壳温测量的实时性，保证了IGBT模块的正常可靠运行。

Description

IGBT模块壳温的实时估算方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT模块壳温的实时估算方法。 

背景技术

通常在伺服驱动器或变频器中，逆变模块一般采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块，伺服驱动器和变频器工作时，流过IGBT模块的电流较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果IGBT模块的热量不能及时散掉，使得器件的结温Tj超过最大额定结温Tjmax，则IGBT模块可能损坏。一般IGBT模块的最大额定结温Tjmax是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则发生热击穿而造成损坏；一般结温Tj需留有一定的余地，在最恶劣条件下，结温Tj限定在125℃以下，但IGBT模块内结温监测有一定难度，因此通过测量IGBT模块的壳温，根据壳温来限制IGBT模块的输出电流或自动停机以确保IGBT模块的安全。 

一般IGBT模块壳温的测量有两种方法，其一，在一些IGBT模块中，将用于测量IGBT模块壳温的温度传感器(NTC)直接封装在模块内的陶瓷基板(DCB)上，NTC是负温度系数热敏电阻，它可以有效地检测IGBT模块的稳态壳温（Tc）。一般IGBT模块会封装2-6个IGBT芯片，每个IGBT芯片由于工作状况不同，对应各IGBT芯片正下方的壳温会有误差，因此采用一种IGBT模块壳温的估算方法，根据IGBT模块散热片温度和输出电流和频率，利用IGBT模块热模型，实时计算各IGBT芯片正下方最高壳温。其二，IGBT模块中无温度传感器（NTC），可在靠近IGBT模块的散热片上安装温度传感器，检测散热片温度，根据IGBT模块内芯片的最大功耗估算其壳温；由于驱动器或变频器工作时IGBT模块内芯片的电流和功耗是实时变化的，所以用该方法估算的壳温误差大，实时性差。

发明内容 

本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT模块壳温的实时估算方法，本估算方法根据散热片温度和IGBT模块输出电流和频率，利用IGBT模块热模型，实时计算IGBT模块中芯片正下方最高壳温，有效降低了壳温的估算误差， 提高了壳温测量的实时性，保证了IGBT模块的正常、可靠运行。 

为解决上述技术问题，本发明IGBT模块壳温的实时估算方法在IGBT模块的散热片上安装温度传感器，采用热阻与热容并联的热电路模型来模拟IGBT模块的芯片正下方IGBT模块外壳的热传导过程，在IGBT模块的载波频率固定、直流电压变化范围小的情况下，IGBT模块的损耗可近视看作与流过的电流成正比，热电路模型中采用电流来代替热量，当IGBT模块输出电流为正弦波时，IGBT模块损耗呈周期正弦形式，IGBT模块中芯片正下方的壳温具有周期性，其波动幅度随着频率降低而增高，热电路模型中热阻和热容根据IGBT模块电流输出频率进行线性调整，以准确测量IGBT模块中芯片正下方的最高壳温，IGBT模块在第n个采样周期中，温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差△T(n)为： 

$\mathrm{\ΔT}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{Cth}}(I-\frac{\mathrm{\ΔT}(n-1)}{\mathrm{Rth}})*\mathrm{\Δt}+\mathrm{\ΔT}(n-1)---\left(1\right)$

式（1）中Cth为热容值、Rth为热阻值、△T(n-1)为IGBT模块在第n-1个采样周期的温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差、△t为采样周期时间、I为IGBT模块在第n个采样周期的电流， 

则IGBT模块在第n个采样周期中，IGBT模块壳温的估算值Tc(n)为： 

Tc(n)=Ts(n)+△T(n)   （2） 

式（2）中Ts(n)为IGBT模块在第n个采样周期温度传感器测量值。 

本估算方法中，热容值和热阻值可通过实验测量得到，在IBGT芯片下方的散热片上打孔，并在靠近IGBT模块金属底板位置粘贴热电偶，采集热电偶温度和温度传感器温度，使IGBT芯片输出额定电流、电流频率为1Hz，测量稳态时热电偶温度Tc和温度传感器温度Ts，通过下式计算出热阻值Rth1Hz， 

${\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}=\frac{\mathrm{Tc}-\mathrm{Ts}}{I^{\′}}---\left(3\right)$

式（3）中，I′为IGBT芯片的额定输出电流； 

在IGBT模块冷态时，使IGBT芯片输出1.5倍额定电流、电流频率为1Hz，测量热电偶温度和温度传感器温度，记录热电偶温度上升25℃所用时间T，同时记录此时的热电偶温度Tc′和温度传感器温度Ts′值，通过下式计算出热 

按同样方法可测量和计算IGBT芯片输出电流频率为零时的热容值Cth^0Hz和热阻值Rth^0Hz， 

实际估算IGBT模块壳温时使用的热阻值和热容值根据IGBT芯片输出电流的实际频率进行折算，当输出电流频率f大于等于1Hz时，热容值和热阻值采用Cth^1Hz和Rth^1Hz；当输出电流频率f在0-1Hz之间时，按下列公式计算热容值和热阻值： 

$\mathrm{Rth}={\mathrm{Rth}}^{0\mathrm{Hz}}+\frac{{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}-{\mathrm{Rth}}^{0\mathrm{Hz}}}{f}---\left(5\right)$

$\mathrm{Cth}={\mathrm{Cth}}^{0\mathrm{Hz}}+\frac{{\mathrm{Cth}}^{1\mathrm{Hz}}-{\mathrm{Cth}}^{0\mathrm{Hz}}}{f}---\left(6\right)$

式（5）和式（6）中f为IGBT芯片输出电流频率。 

由于本发明IGBT模块壳温的实时估算方法采用了上述技术方案，即本方法在IGBT模块的散热片上安装温度传感器，建立热阻与热容并联的热电路模型，模拟IGBT模块外壳的热传导过程，热电路模型中采用电流来代替热量，当IGBT模块输出电流为正弦波时，IGBT模块中芯片正下方的壳温具有周期性，其波动幅度随着频率降低而增高，热电路模型中热阻和热容根据IGBT模块电流输出频率进行线性调整，通过公式计算IGBT模块在第n个采样周期的温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差△T(n)，进而计算得到在第n个采样周期中，IGBT模块壳温的估算值Tc(n)。本估算方法根据散热片温度和IGBT模块输出电流和频率，利用IGBT模块热模型，实时计算IGBT模块中芯片正下方最高壳温，有效降低了壳温的估算误差，提高了壳温测量的实时性，保证了IGBT模块的正常、可靠运行。 

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为本方法中热阻与热容并联的热电路模型示意图。 

具体实施方式

本发明IGBT模块壳温的实时估算方法在IGBT模块的散热片上安装温度传感器，如图1所示，采用热阻1与热容2并联的热电路模型来模拟IGBT模块的芯片正下方IGBT模块外壳的热传导过程，在IGBT模块的载波频率固定、直 流电压变化范围小的情况下，IGBT模块的损耗可近视看作与流过的电流成正比，热电路模型中采用电流来代替热量，当IGBT模块输出电流为正弦波时，IGBT模块损耗呈周期正弦形式，IGBT模块中芯片正下方的壳温具有周期性，其波动幅度随着频率降低而增高，热电路模型中热阻和热容根据IGBT模块电流输出频率进行线性调整，以准确测量IGBT模块中芯片正下方的最高壳温，IGBT模块在第n个采样周期中，温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差△T(n)为： 

$\mathrm{\ΔT}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{Cth}}(I-\frac{\mathrm{\ΔT}(n-1)}{\mathrm{Rth}})*\mathrm{\Δt}+\mathrm{\ΔT}(n-1)---\left(1\right)$

式（1）中Cth为热容值、Rth为热阻值、△T(n-1)为IGBT模块在第n-1个采样周期的温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差、△t为采样周期时间、I为IGBT模块在第n个采样周期的电流， 

则IGBT模块在第n个采样周期中，IGBT模块壳温的估算值Tc(n)为： 

Tc(n)=Ts(n)+△T(n)   （2） 

式（2）中Ts(n)为IGBT模块在第n个采样周期温度传感器测量值。 

本估算方法中，热容值和热阻值通过实验测量得到，在IBGT芯片下方的散热片上打孔，并在靠近IGBT模块金属底板位置粘贴热电偶，采集热电偶温度和温度传感器温度，使IGBT芯片输出额定电流、电流频率为1Hz，测量稳态时热电偶温度Tc和温度传感器温度Ts，通过下式计算出热阻值Rth1Hz， 

${\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}=\frac{\mathrm{Tc}-\mathrm{Ts}}{I^{\′}}---\left(3\right)$

式（3）中，I′为IGBT芯片的额定输出电流； 

在IGBT模块冷态时，使IGBT芯片输出1.5倍额定电流、电流频率为1Hz，测量热电偶温度和温度传感器温度，记录热电偶温度上升25℃所用时间T，同时记录此时的热电偶温度Tc′和温度传感器温度Ts′值，通过下式计算出热容值Cth1Hz， 

${\mathrm{Cth}}^{1\mathrm{Hz}}=-\frac{T}{{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}*\ln (1-\frac{{\mathrm{Tc}}^{\′}-{\mathrm{Ts}}^{\′}}{{1.5I}^{\′}*{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}})}---\left(4\right)$

按同样方法可测量和计算IGBT芯片输出电流频率为零时的热容值Cth^0Hz和热阻值Rth^0Hz， 

实际估算IGBT模块壳温时使用的热阻值和热容值根据IGBT芯片输出电 流的实际频率进行折算，当输出电流频率f大于等于1Hz时，热容值和热阻值采用Cth^1Hz和Rth^1Hz；当输出电流频率f在0-1Hz之间时，按下列公式计算热容值和热阻值： 

$\mathrm{Rth}={\mathrm{Rth}}^{0\mathrm{Hz}}+\frac{{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}-{\mathrm{Rth}}^{0\mathrm{Hz}}}{f}---\left(5\right)$

$\mathrm{Cth}={\mathrm{Cth}}^{0\mathrm{Hz}}+\frac{{\mathrm{Cth}}^{1\mathrm{Hz}}-{\mathrm{Cth}}^{0\mathrm{Hz}}}{f}---\left(6\right)$

式（5）和式（6）中f为IGBT芯片输出电流频率。 

本估算方法能准确得到IGBT模块内芯片正下方的实时壳温，根据此实时壳温采取IGBT模块的过热保护控制或温度限流控制，即可保证IGBT模块工作在安全范围内，同时又能保证伺服驱动器或变频器的电流输出能力。本方法模型简单，算法可在伺服驱动器或变频器的控制模块中实现，采用离散运算，占用CPU的资源少，执行速度快，能保证IGBT模块壳温的快速更新。 

Claims (2)

1.一种IGBT模块壳温的实时估算方法，其特征在于：本方法在IGBT模块的散热片上安装温度传感器，采用热阻与热容并联的热电路模型来模拟IGBT模块的芯片正下方IGBT模块外壳的热传导过程，在IGBT模块的载波频率固定、直流电压变化范围小的情况下，IGBT模块的损耗可近视看作与流过的电流成正比，热电路模型中采用电流来代替热量，当IGBT模块输出电流为正弦波时，IGBT模块损耗呈周期正弦形式，IGBT模块中芯片正下方的壳温具有周期性，其波动幅度随着频率降低而增高，热电路模型中热阻和热容根据IGBT模块电流输出频率进行线性调整，以准确测量IGBT模块中芯片正下方的最高壳温，IGBT模块在第n个采样周期中，温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差△T(n)为：

$\mathrm{\ΔT}\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{Cth}}(I-\frac{\mathrm{\ΔT}(n-1)}{\mathrm{Rth}})*\mathrm{\Δt}+\mathrm{\ΔT}(n-1)---\left(1\right)$

式（1）中Cth为热容值、Rth为热阻值、△T(n-1)为IGBT模块在第n-1个采样周期的温度传感器测量值与IGBT模块壳温的温度差、△t为采样周期时间、I为IGBT模块在第n个采样周期的电流，

则IGBT模块在第n个采样周期中，IGBT模块壳温的估算值Tc(n)为：

Tc(n)=Ts(n)+△T(n)   （2）

式（2）中Ts(n)为IGBT模块在第n个采样周期温度传感器测量值。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块壳温的实时估算方法，其特征在于：所述热容值和热阻值通过实验测量得到，在IBGT芯片下方的散热片上打孔，并在靠近IGBT模块金属底板位置粘贴热电偶，采集热电偶温度和温度传感器温度，使IGBT芯片输出额定电流、电流频率为1Hz，测量稳态时热电偶温度Tc和温度传感器温度Ts，通过下式计算出热阻值Rth^1Hz，

${\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}=\frac{\mathrm{Tc}-\mathrm{Ts}}{I^{\′}}---\left(3\right)$

式（3）中，I′为IGBT芯片的额定输出电流；

在IGBT模块冷态时，使IGBT芯片输出1.5倍额定电流、电流频率为1Hz，测量热电偶温度和温度传感器温度，记录热电偶温度上升25℃所用时间T，同时记录此时的热电偶温度Tc′和温度传感器温度Ts′值，通过下式计算出热容值Cth^1Hz，

${\mathrm{Cth}}^{1\mathrm{Hz}}=-\frac{T}{{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}*\ln (1-\frac{{\mathrm{Tc}}^{\′}-{\mathrm{Ts}}^{\′}}{{1.5I}^{\′}*{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}})}---\left(4\right)$

按同样方法可测量和计算IGBT芯片输出电流频率为零时的热容值Cth^0Hz和热阻值Rth^0Hz，

实际估算IGBT模块壳温时使用的热阻值和热容值根据IGBT芯片输出电流的实际频率进行折算，当输出电流频率f大于等于1Hz时，热容值和热阻值采用Cth^1Hz和Rth^1Hz；当输出电流频率f在0-1Hz之间时，按下列公式计算热容值和热阻值：

$\mathrm{Rth}={\mathrm{Rth}}^{0\mathrm{Hz}}+\frac{{\mathrm{Rth}}^{1\mathrm{Hz}}-{\mathrm{Rth}}^{0\mathrm{Hz}}}{f}---\left(5\right)$

$\mathrm{Cth}={\mathrm{Cth}}^{0\mathrm{Hz}}+\frac{{\mathrm{Cth}}^{1\mathrm{Hz}}-{\mathrm{Cth}}^{0\mathrm{Hz}}}{f}---\left(6\right)$

式（5）和式（6）中f为IGBT芯片输出电流频率。