CN104915506A - 一种用于变流器功耗计算的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变流器功耗计算的建模方法，属于变流器的仿真建模技术领域，解决了现有的建模方法无法反应电流周期及电流暂态变化对于器件功耗的影响的技术问题。该用于变流器功耗计算的建模方法包括：将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和/或二极管；构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累计IGBT管的开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗；以及/或者构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计二极管的反向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗。

Description

一种用于变流器功耗计算的建模方法

技术领域

本发明涉及变流器的仿真建模技术领域，具体的说，涉及一种用于变流器功耗计算的建模方法。

背景技术

如今，绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块等功率半导体器件已经成为变流器的核心器件。对IGBT模块进行散热设计和寿命预测已成为提高变流器可靠性的主要内容。而对IGBT模块进行散热设计和寿命预测的关键在于建立电热模型来获取IGBT模块的温升和结温随时间变化曲线，其中建立电热模型的基础便是要计算获得IGBT模块的功耗。

目前，基于MATLAB中simulink仿真建模软件的广泛应用于变流器中半导体器件功耗计算的仿真模型为基于电流基波周期计算器件平均损耗的器件模型。该模型是在假设输出电压和电流的波形为正弦的前提下，将变流模块中器件的通态损耗及开关损耗表示为器件参数与运行条件的解析公式。其中器件参数(如初始器件通态压降、通态电阻以及温度系数等)是根据器件手册提供的参数曲线或通过一些简单实验(如V-I实验、开关损耗实验等)获取的，在获取器件参数后结合运行条件(变流模块的调制系数、电流及器件温度)计算器件在各种条件下的平均损耗与平均结温。该类模型仿真效率高，但是由于该类模型的仿真是在假设输出电压和电流的波形为正弦的前提下进行，所以无法反应电流周期及暂态变化对于器件功耗的影响。

因此，亟需一种能够反应电流周期及电流暂态变化对于器件功耗的影响的建模方法。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于变流器功耗计算的建模方法，以解决现有的建模方法无法反应电流周期及电流暂态变化对于器件功耗的影响的技术问题。

一种用于变流器功耗计算的建模方法，包括：

将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和/或二极管；

构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累计IGBT管的开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗；以及/或者

构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计二极管的反向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗。

进一步的，还包括：

构建IGBT管的功耗模块，对IGBT管的开关能耗和导通能耗求和获得IGBT管的能量损耗，由预设时间段内IGBT管能量损耗的增量计算预设时间段内IGBT管的平均功耗；以及/或者

构建二极管的功耗模块，对二极管的反向恢复能耗和导通能耗求和获得二极管的能量损耗，由预设时间段内二极管能量损耗的增量计算预设时间段内二极管的平均功耗。

其中，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建IGBT管的开关能耗子模块，在统计时刻判断IGBT管是否完成开关动作，若已完成开关动作，则将统计时刻的单次开关能耗累加至统计时刻之前的总开关能耗，若未完成开关动作，则舍弃统计时刻的单次开关能耗。

进一步的，包括：

提取统计时刻的IGBT管实时工作电流，基于统计时刻的实时工作电流和开关损耗系数计算统计时刻的单次开关能耗。

其中，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建IGBT管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的IGBT管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。

其中，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建二极管的反向恢复能耗子模块，在统计时刻判断二级管是否完成反向恢复，若已完成反向恢复则将统计时刻的单次反向恢复能耗累加至统计时刻之前的总反向恢复能耗，若未完成反向恢复，则舍弃统计时刻的单次反向恢复能耗。

进一步的，包括：

提取统计时刻的实时桥臂电流，基于统计时刻的实时桥臂电流和反向恢复损耗系数计算统计时刻的单次反向恢复能耗，其中，桥臂电流为桥臂与负载或电源连接电路的电流。

其中，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建二极管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的二极管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。

本发明带来了以下有益效果：本发明实施例中提供的建模方法通过对变流器内部桥臂中IGBT管的开关能耗、导通能耗和/或二极管的反向恢复能耗、导通能耗分别进行实时计算，进而计算得到在预设时间段内IGBT管的平均功耗以及/或者二极管的平均功耗，实现对于变流器在预设时间段内平均功耗的计算，反映出电流周期及电流暂态变化对变流器功耗波动的影响。由于本发明实施例中提供的方法是基于单个桥臂内IGBT管和/或二极管进行的建模，变流器内部其他桥臂均可套用该模型，因此具有易读性、通用性和移植性优点，并且可以便捷的与电气系统仿真和热仿真进行接口。同时，相对于现有技术中的基于半导体载流子输送特性的器件详细物理模型，本发明实施例中提供的建模方法具有效率高、能够长时间仿真的优点。虽然该类模型描述了器件运行的物理过程，物理意义明确、精度较高。但是该类模型的建立需要大量参数，参数的提取过程非常复杂，并且仿真步长很短，所以仿真效率不高，无法实现长时间的仿真。而本发明实施例中提供的建模方法具有传统平均损耗模型简单，仿真效率高、能够长时间仿真的优点，同时又能反应电流周期及电流暂态变化对功耗波动的影响。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例一提供的建模方法的流程图；

图2是本发明实施例一提供的电热协同仿真示意图；

图3是本发明实施例二提供的城轨列车牵引变流器电路的电路图；

图4是本发明实施例二提供的IGBT管的功耗计算模型示意图；

图5是本发明实施例二提供的IGBT管开通能耗、关段能耗同电流的特性关系图；

图6是本发明实施例二提供的IGBT管导通状态下的电流和压降关系图；

图7是本发明实施例二提供的二极管的功耗计算模型示意图；

图8是本发明实施例二提供的二极管电流和反向恢复能耗的关系图；

图9是本发明实施例二提供的二极管导通状态下集电极电流和管压降之间的关系图；

图10是本发明实施例二提供的桥臂功耗计算模型示意图；

图11是本发明实施例二提供的电气仿真对外接口输出信号顺序图；

图12是本发明实施例二提供的热仿真输出波形图。

附图标记说明：

1、充电回路 2、斩波单元 3、逆变器 4、IGBT模块 5、IGBT管的实时能耗模块 6、IGBT管的开关能耗子模块 7、IGBT管的导通能耗子模块 8、IGBT管的功耗模块 11、二极管的实时能耗模块 12、二极管的导通能耗子模块 13、二极管的反向恢复能耗子模块 14、二极管的功耗模块

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一：

本发明实施例提供了一种用于变流器功耗计算的建模方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S101、将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和/或二极管；

在本发明实施例中，变流器可以由一个或多个桥臂组成，桥臂的个数在此不做限制。桥臂可以由IGBT管和二极管组成，也可以只由IGBT管组成或只由二极管组成。

步骤S102、构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累计IGBT管的开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗；以及/或者

步骤S103、构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计二极管的反向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗。

在本发明实施例中，由于IGBT芯片的主要损耗来源于其开通、关断过程中产生的开关损耗和导通状态下产生的导通损耗，因此，在计算IGBT管的功耗时，忽略其关断状态下的损耗和驱动损耗。而二极管的主要损耗来源于其导通状态和反向恢复过程的损耗，因此，忽略其关断状态、开通过程中的损耗和驱动损耗。

本发明实施例中提供的方法通过对变流器内部桥臂中IGBT管的开关能耗、导通能耗和/或二极管的反向恢复能耗、导通能耗分别进行实时计算，实现对于变流器的实时能耗计算，进而反映出电流周期及暂态变化对变流器功耗波动的影响。

具体的，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建IGBT管的开关能耗子模块，在统计时刻判断IGBT管是否完成开关动作，若已完成开关动作，则将统计时刻的单次开关能耗累加至统计时刻之前的总开关能耗，若未完成开关动作，则舍弃统计时刻的单次开关能耗。即将完成开关动作时刻的单次开关能耗进行累加来获取统计时刻的总开关能耗，未完成开关动作时刻的单次开关能耗舍弃。

在本发明实施例中，开关能耗子模块根据IGBT管的开关控制信号判断IGBT管是否完成开关动作，当IGBT管的开关控制信号为下降沿时，判断IGBT管已完成开关动作，否则，判断IGBT管未完成开关动作。

其中，统计时刻的单次开关能耗的获取步骤具体为：

提取统计时刻的IGBT管实时工作电流，基于统计时刻的实时工作电流和开关损耗系数计算统计时刻的单次开关能耗。开关损耗系数从器件手册中获取。

具体的，在本发明实施例中，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中还包括：

构建IGBT管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的IGBT管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。其中，统计时刻的仿真时长为从仿真开始到统计时刻之间的时长。

具体的，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建二极管的反向恢复能耗子模块，在统计时刻判断二级管是否完成反向恢复，若已完成反向恢复则将统计时刻的单次反向恢复能耗累加至统计时刻之前的总反向恢复能耗，若未完成反向恢复，则舍弃统计时刻的单次反向恢复能耗。即将完成反向恢复时刻的单次反向恢复能耗进行累加来获取统计时刻的总反向恢复能耗，将未完成反向恢复时刻的单次反向恢复能耗舍弃。

其中，统计时刻的单次反向恢复能耗的获取步骤具体为：

提取统计时刻的实时桥臂电流，基于统计时刻的实时桥臂电流和反向恢复损耗系数计算统计时刻的单次反向恢复能耗，其中，桥臂电流为桥臂与负载或电源连接电路的电流。反向恢复损耗系数从器件手册中获取。

由于在具体操作过程中很难捕捉到二极管在反向恢复时的管电流，而桥臂电流为桥臂内各个器件电流的总和，桥臂在工作状态下，二极管在发生反向恢复的瞬间，桥臂内其他器件近似于没有电流通过，此时二极管的反向恢复电流可以近似等于桥臂电流。因此，在本发明实施例中，选用实时桥臂电流来计算二极管的单次反向恢复能耗，简化了二极管反向恢复电流的获取过程，提高了二极管反向恢复功耗的计算效率。

具体的，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中还包括：

构建二极管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的二极管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。其中，统计时刻的仿真时长为从仿真开始到统计时刻之间的时长。

进一步的，本发明实施例中提供的方法在步骤S103之后还包括：

构建IGBT管的功耗模块，对IGBT管的开关能耗和导通能耗求和获得IGBT管的能量损耗，由预设时间段内IGBT管能量损耗的增量计算预设时间段内IGBT管的平均功耗；以及/或者

构建二极管的功耗模块，对二极管的反向恢复能耗和导通能耗求和获得二极管的能量损耗，由预设时间段内二极管能量损耗的增量计算预设时间段内二极管的平均功耗。

在本发明实施例中，预设时间段可以为人为设定的任意时间段，或人为设定的采样周期。

本发明实施例中提供的建模方法将整个变流器拆分为单个桥臂，以单个桥臂为对象建立仿真模块，计算变流器功耗则复制多个桥臂功耗计算模块即可，桥臂功耗计算模块则由IGBT管的实时能耗模块、功耗模块和/或二极管的实时能耗模块、功耗模块组成。

如图2所示，对变流器所在主电路进行建模，基于本发明实施例中提供的建模方法对变流器所在主电路模型和变流器功耗进行电气仿真，其中，对变流器功耗进行仿真是通过对变流器内部单个桥臂的功耗模型进行仿真，变流器内部的多个桥臂均复用该模型。

仿真过程中桥臂的功耗模型获取主电路模型输出的实时桥臂电流、IGBT管和/或二极管工作电流和开关控制信号，并输出变流器每个桥臂中各管器件的实时功耗，用以对各管器件进行热仿真，从而实现电气仿真与热仿真的联合协同仿真。

本发明实施例中提供的建模方法通过对变流器内部桥臂中IGBT管的开关能耗、导通能耗和/或二极管的反向恢复能耗、导通能耗分别进行实时计算，进而计算得到在预设时间段内IGBT管的平均功耗以及/或者二极管的平均功耗，实现对于变流器在预设时间段内平均功耗的计算，反映出电流周期及电流暂态变化对变流器功耗波动的影响。由于本发明实施例中提供的方法是基于单个桥臂内IGBT管和/或二极管进行的建模，变流器内部其他桥臂均可套用该模型，因此具有易读性、通用性和移植性优点，并且可以便捷的与电气系统仿真和热仿真进行接口。同时，相对于现有技术中的基于半导体载流子输送特性的器件详细物理模型，本发明实施例中提供的建模方法具有效率高、能够长时间仿真的优点。虽然该类模型描述了器件运行的物理过程，物理意义明确、精度较高。但是该类模型的建立需要大量参数，参数的提取过程非常复杂，并且仿真步长很短，所以仿真效率不高，无法实现长时间的仿真。而本发明实施例中提供的建模方法具有传统平均损耗模型简单，仿真效率高、能够长时间仿真的优点，同时又能反应电流周期及电流暂态变化对功耗波动的影响。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其不同点在于，在本发明实施例中，变流器为逆变器，本发明实施例中的建模仿真方法基于MATLAB/simulink仿真软件实现。

在本发明实施例中，主电路选用城轨列车牵引变流器电路，如图3所示，该主电路由串联连接的充电回路1、线路电扰器L和并联连接的固定放电电阻R2、直流电容C、斩波单元2、逆变器3以及牵引电动机1MO1组成，牵引电动机1MO1三相输入端分别与逆变器3中ABC三相桥臂连接。逆变器3由ABC三相桥臂组成，每个桥臂由相互连接的两个IGBT模块4组成，两个IGBT模块分为上IGBT模块(上管)和下IGBT模块(下管)，每个IGBT模块4由并联连接的IGBT管和反并联续流二极管D组成。

选用MATLAB/simulink中的SimPowerSystems模型库中的现有模块对变流器所在主电路进行建模。主电路模型主要包括：供电系统、直流回路系统、逆变侧系统和逻辑控制系统四个部分。在对主电路模型设置参数并进行仿真过程中逆变侧系统的输出端输出的数据中包括：IGBT模块的电流、桥臂电流，逻辑控制系统输出端输出的数据中包括IGBT模块的开关控制信号。在本发明实施例中，开关控制信号为PWM信号。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的建模仿真方法进行详细的描述。

步骤S101、将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和二极管，在本发明实施例中具体为：将变流器划分为三个桥臂，每个桥臂包括两个IGBT模块，两个IGBT模块分为上IGBT模块(上管)和下IGBT模块(下管)，每个IGBT模块包括相并联的IGBT管和反并联续流二极管。

步骤S102、构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累计IGBT管的开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗，包括：

构建IGBT管的开关能耗子模块，在统计时刻判断IGBT管是否完成开关动作，若已完成开关动作，则将统计时刻的单次开关能耗累加至统计时刻之前的总开关能耗，若未完成开关动作，则舍弃统计时刻的单次开关能耗。

其中，统计时刻的单次开关能耗的获取步骤具体为：提取统计时刻的IGBT管实时工作电流，基于统计时刻的实时工作电流和开关损耗系数计算统计时刻的单次开关能耗。

构建IGBT管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的IGBT管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。

在本发明实施例中，上述步骤具体为：如图4所示，选用MATLAB/simulink模型库中的现有模块构建IGBT管的实时能耗模块5和IGBT管的功耗模块8。IGBT管的实时能耗模块5由选择模块、常数模块、IGBT管的开关能耗子模块6、IGBT管的导通能耗子模块7组成。

IGBT管的开关能耗子模块6由开关能耗计算公式模块、开关能耗叠加触发模块和延时模块组成。

在本发明实施例中，IGBT模块选为上IGBT模块，即上管。假设统计时刻为第k时刻，第k时刻可以为仿真过程中的任意时刻。选择模块根据上IGBT模块第k时刻的电流判断IGBT模块第k时刻的电流值是否大于0，若上IGBT模块的电流大于0，即表明上IGBT模块内IGBT管导通处于工作状态，此时，上IGBT模块第k时刻的电流值即为IGBT管的工作电流值，选择模块输出该第k时刻的电流值给IGBT管的开关能耗子模块6和IGBT管的导通能耗子模块7进行IGBT管开关能耗值和导通能耗值的计算。若上IGBT模块的电流小于等于0，即表明上IGBT模块内IGBT管未导通，即不处于工作状态，此时选择模块输出的电流值为常数模块提供的常数0，即IGBT管的工作电流值为0。

开关能耗计算公式模块获取选择模块输出的第k时刻的电流值，根据IGBT模块第k时刻电流值和开关损耗系数计算IGBT管第k时刻的单次开关能耗值并输出该第k时刻的单次开关能耗值，开关损耗系数根据器件手册获取。

在本发明实施例中，开关能耗计算公式模块根据下述表达式计算IGBT管第k时刻的单次开关能耗值：

E_sw(k)＝a_Es_IGBT+b_Es_IGBT×I_c(k)+c_Es_IGBT×I_c(k)²

其中，E_sw(k)为IGBT管第k时刻的单次开关能耗值，I_c(k)为第k时刻IGBT模块的电流值，a_Es_IGBT为IGBT管开关损耗系数a，b_Es_IGBT为IGBT管开关损耗系数b，c_Es_IGBT为IGBT管开关损耗系数c。

根据器件手册获取IGBT管开关损耗系数a、IGBT管开关损耗系数b和IGBT管开关损耗系数c，其过程具体为：

如图5所示，根据器件手册提供的IGBT开通能耗E_on、关段能耗E_off同电流I_c的特性关系图获得IGBT管结温T_j为125℃情况下开关损耗E_sw＝E_on+E_off与电流I_c之间的函数关系(在本发明实施例中IGBT管结温T_j选择为125℃)，即：

$E_{sw}=419\×{10}^{-3}+1.86\×{10}^{-3}\×I_c+1.03\×{10}^{-6}\×I_c^2$

由该函数关系推导出IGBT管开关损耗系数a取值为419×10^-3，IGBT管开关损耗系数b取值为1.86×10^-3，IGBT管开关损耗系数c取值为1.03×10^-6。

如图4所示，开关能耗叠加触发模块获取第k时刻上IGBT模块的PWM信号判断IGBT管单次开关是否结束，若IGBT管单次开关结束，则将第k时刻的单次开关能耗值与第k-1时刻的开关能耗值进行累加计算得到IGBT管第k时刻的开关能耗值。具体为：当第k时刻上IGBT模块的PWM信号为下降沿，表明第k时刻IGBT管单次开关结束，此时开关能耗叠加触发模块将IGBT管第k时刻的单次开关能耗值与IGBT管上一时刻即第k-1时刻的开关能耗值累加得到IGBT管k时刻的开关能耗值，即截止到第k时刻IGBT管的每次开关产生的损耗的总和。

若IGBT管单次开关未结束，则第k时刻的开关能耗值与第k-1时刻的开关能耗值相等。即当第k时刻上IGBT模块的PWM信号不为下降沿时，表明第k时刻IGBT管单次开关未结束，因此不将IGBT管第k时刻的单次开关能耗值与上一时刻即第k-1时刻的开关能耗值进行累加，第k时刻的开关能耗值保持不变与第k-1时刻的开关能耗值相等。

在本发明实施例中，开关能耗叠加触发模块根据下述表达式：

Es_IGBT(k)＝Es_IGBT(k-1)+E_sw(k)*Triggered_down

计算得到IGBT管第k时刻的开关能耗值Es_IGBT(k)，并输出第k时刻的开关能耗值Es_IGBT(k)。其中，Es_IGBT(k-1)为第k-1时刻的开关能耗值，Triggered_down为下降沿触发参数。若IGBT模块第k时刻的PWM信号为下降沿时，则Triggered_down取值为1，否则Triggered_down取值为0。

延时模块用于将k-1时刻开关能耗叠加触发模块输出的开关能耗值Es_IGBT(k-1)延时至k时刻输入开关能耗叠加触发模块，用以计算k时刻的开关能耗值Es_IGBT(k)。

IGBT管的导通能耗子模块7由IGBT导通功耗计算模块和离散积分模块组成。

IGBT导通功耗计算模块获取选择模块输出的第k时刻的电流值，根据上IGBT模块第k时刻电流值和导通功率系数计算IGBT管第k时刻的导通功耗值，导通功率系数根据器件手册获取。

在本发明实施例中，IGBT导通功耗计算模块根据下述表达式计算IGBT管第k时刻的导通功耗值：

P_{D_C}(k)＝a_Pc_IGBT+b_Pc_IGBT×I_c(k)+c_Pc_IGBT×I_c(k)²

其中，P_{D_C}(k)为IGBT管第k时刻的导通功耗值，I_c(k)为上IGBT模块第k时刻的电流值，a_Pc_IGBT为IGBT管导通功率系数a，b_Pc_IGBT为IGBT管导通功率系数b，c_Pc_IGBT为IGBT管导通功率系数c。

根据器件手册获取IGBT管导通功率系数a、IGBT管导通功率系数b和IGBT管导通功率系数c，其过程具体为：

如图6所示，根据器件手册提供的IGBT管导通状态下的电流I_c和压降V_CE关系图获得IGBT管结温T_j为25℃和125℃情况下的IGBT管导通功耗P_{D_C}和电流I_c之间的函数关系为：

在本发明实施例中IGBT管结温T_j选择为125℃，进而由该函数关系推导出IGBT管导通功率系数a取值为-33.50620152，IGBT管导通功率系数b取值为1.95824526，IGBT管导通功率系数c取值为0.00236514。

如图4所示，离散积分模块获取IGBT导通功耗计算模块输出的实时导通功耗值P_{D_C}(I_c)，根据IGBT管的实时导通功耗值和第k时刻的时长t，通过积分计算IGBT管第k时刻的导通能耗值，并输出该导通能耗值。第k时刻的时长t为从仿真开始到第k时刻之间的时长。

在本发明实施例中，离散积分模块根据下述表达式计算IGBT管第k时刻的导通能耗值：

$Ec\_IGBT\left(k\right)={\∫}_0^t{P}_{D\_C}\left(I_c\right)dt$

其中，Ec_IGBT(k)为IGBT管第k时刻的导通能耗值，P_{D_C}(I_c)为截止到第k时刻IGBT管的实时导通功率。

进一步的，构建IGBT管的功耗模块，对IGBT管的开关能耗和导通能耗求和获得IGBT管的能量损耗，由预设时间段内IGBT管能量损耗的增量计算预设时间段内IGBT管的平均功耗。在本发明实施例中，预设时间段为采样周期，采样周期是根据仿真需求人为预先设定的，也可以设定采样频率进而得到采样周期。在对IGBT管建模仿真的过程中，每个采样周期都进行一次IGBT管的平均功耗的计算。

如图4所示，IGBT管的功耗模块8由加法模块和平均功耗计算模块组成。

加法模块8获取IGBT管的开关能耗子模块6输出的第k时刻的开关能耗值、和IGBT管的导通能耗子模块7输出的导通能耗值，并将第k时刻的开关能耗值、导通能耗值求和得到第k时刻的IGBT管的能耗值,将第m时刻的开关能耗值、导通能耗值求和得到第m时刻的IGBT管的能耗值，其中，第m时刻位于第k时刻之前，且与第k时刻相隔一个采样周期。

在本发明实施例中，加法模块根据下述表达式计算IGBT管第k时刻的能耗值：

E_k＝Es_IGBT(k)+Ec_IGBT(k)

其中，E_k为IGBT管第k时刻的能耗值，Es_IGBT(k)为IGBT管第k时刻的开关能耗值，Ec_IGBT(k)为IGBT管第k时刻的导通能耗值；

IGBT管第m时刻的能耗值的计算方法与第k时刻的能耗值的计算方法相同。

平均功耗计算模块获取加法模块输出的第k时刻的IGBT管的能耗值和第m时刻的IGBT管的能耗值，计算采样周期内IGBT管能量损耗的增量，由采样周期内IGBT管能量损耗的增量计算采样周期内IGBT管的平均功耗。

在本发明实施例中，平均功耗计算模块根据表达式ΔE＝E_k-E_m计算采样周期内IGBT管能量损耗的增量ΔE，E_m为IGBT管第m时刻的能耗值。根据表达式计算采样周期内IGBT管的平均功耗Δt为采样周期时长。

下IGBT模块的IGBT管的平均功耗计算步骤与上述上IGBT模块的IGBT管的平均功耗计算步骤相同，在此不再赘述。

选择模块、常数模块、IGBT管的开关能耗子模块6和IGBT管的导通能耗子模块7共同组成IGBT管的实时能耗模块5。IGBT管的实时能耗模块5和IGBT管的功耗模块8组成IGBT管的功耗计算模型，桥臂中上IGBT模块和下IGBT模块均可使用该功耗计算模型计算模块内IGBT管的平均功耗。

步骤S102、构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计二极管的反向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗，包括：

构建二极管的反向恢复能耗子模块，在统计时刻判断二级管是否完成反向恢复，若已完成反向恢复则将统计时刻的单次反向恢复能耗累加至统计时刻之前的总反向恢复能耗，若未完成反向恢复，则舍弃统计时刻的单次反向恢复能耗。

其中，统计时刻的单次反向恢复能耗的获取步骤具体为：提取统计时刻的实时桥臂电流，基于统计时刻的实时桥臂电流和反向恢复损耗系数计算统计时刻的单次反向恢复能耗，反向恢复损耗系数根据器件手册获取。其中，桥臂电流为桥臂与负载或电源连接电路的电流，即当桥臂与负载连接时，以电动机为例，桥臂电流为电动机的输入电流；当桥臂与电源连接时，以发电机为例，桥臂电流为发电机的输出电流。

由于在本发明实施例中，主电路仿真是基于MATLAB/simulink中的SimPowerSystems模型库搭建主电路模型，而SimPowerSystems模型库中的模型关注器件的外特性，并未模拟二极管反向恢复过程，因此在对主电路进行仿真时无法获取反向恢复时的二极管的电流。所以本发明实施例中反向恢复能耗子模块采用简化模型，即选用实时桥臂电流来计算二极管的单次反向恢复能耗。

具体的，由于桥臂电流等于上下IGBT模块的电流和，若桥臂中一个IGBT模块电流为0，则另外一个IGBT模块电流等于桥臂电流。在桥臂工作状态下，以上IGBT模块为例，假设初始状态为桥臂电流小于0，上IGBT模块内IGBT管截止，二极管导通，则电流流经上IGBT模块二极管。若某一时刻下IGBT管导通，则桥臂电流将流经下IGBT模块IGBT管，在导通瞬间(即IGBT管PWM信号上升沿发生时)下IGBT模块IGBT管近似于还没有电流通过，而上IGBT模块二极管发生反向恢复过程，反向恢复时刻的电流可以近似等于下IGBT模块IGBT管导通瞬间的桥臂电流。因此，在本发明实施例中，选用实时桥臂电流来计算二极管的单次反向恢复能耗，简化了二极管反向恢复电流的获取过程，提高了二极管反向恢复功耗的计算效率。

构建二极管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的二极管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。

在本发明实施例中，上述步骤具体为：如图7所示，选用MATLAB/simulink模型库中的现有模块构建构建二极管的实时能耗模块11。二极管的实时能耗模块11由反向恢复能耗子模块13和导通能耗子模块12组成。

二极管的反向恢复能耗子模块13由反向恢复能耗计算公式模块、反向回复能耗叠加触发模块和延时模块组成。

在本发明实施例中，二极管选为上IGBT模块内的反并联续流二极管，桥臂电流为电动机的输入电流。反向恢复能耗计算公式模块提取第k时刻的桥臂电流，判断第k时刻的桥臂电流是否小于0，若桥臂电流小于0，则对桥臂电流求反得到桥臂电流值，若桥臂电流大于0，则桥臂电流值取值为0。基于第k时刻的桥臂电流值和反向恢复损耗系数计算第k时刻的单次反向恢复能耗值。

在本发明是实施例中，反向恢复能耗计算公式模块根据下述表达式计算二极管第k时刻的单次反向恢复能耗值：

E_rec(I_F)(k)＝a_Es_DIODE+b_Es_DIODE×I_F(k)-c_Es_DIODE×I_F(k)²

其中，E_rec(I_F)(k)为二极管第k时刻的单次反向恢复能耗值，I_F(k)为第k时刻桥臂电流值，a_Es_DIODE为二极管反向恢复损耗系数a，b_Es_DIODE为二极管反向恢复损耗系数b，c_Es_DIODE为二极管反向恢复损耗系数c；

根据器件手册获取二极管反向恢复损耗系数a、二极管反向恢复损耗系数b、二极管反向恢复损耗系数c，其过程具体为：

如图8所示，根据器件手册提供的二极管电流I_F和反向恢复能耗E_rec的关系图获得二极管结温T_j为125℃情况下二极管反向恢复能耗E_rec与二极管电流I_F之间的函数关系(在本发明实施例中二极管结温T_j选择为125℃)，即：

$E_{rec}\left(I_F\right)=190+1.72I_F-0.0006I_F^2$

由该函数关系推导出二极管反向恢复损耗系数a取值为190，二极管反向恢复损耗系数b取值为1.72，二极管反向恢复损耗系数c取值为0.0006。

反向回复能耗叠加触发模块根据IGBT模块所在桥臂内另一IGBT模块第k时刻的PWM信号判断二极管是否发生反向恢复，若二极管发生反向恢复，则将第k时刻的反向恢复功耗值与第k-1时刻二极管的反向恢复能耗值进行累加计算得到二极管第k时刻的反向恢复关能耗值；

反向回复能耗叠加触发模块获取IGBT模块所在桥臂内另一IGBT模块第k时刻的开关控制信号(PWM信号)判断IGBT管单次开关是否结束，即当二极管位于上IGBT模块内时，获取下IGBT模块的开关控制信号进行判断，当二极管位于下IGBT模块内时，获取上IGBT模块的开关控制信号进行判断。

若二极管完成反向恢复，则反向回复能耗叠加触发模块将第k时刻的单次反向恢复能耗值与第k-1时刻的反向恢复能耗值进行累加计算得到IGBT管第k时刻反向恢复能耗值，第k-1时刻的反向恢复能耗是指从仿真开始到第k-1时刻二极管单次反向恢复能耗的总和。具体为：二极管位于上IGBT模块内，当第k时刻下IGBT模块的PWM信号为上升沿，表明第k时刻二极管完成反向恢复，此时反向回复能耗叠加触发模块将二极管第k时刻的单次反向恢复能耗值与二极管上一时刻即第k-1时刻的反向恢复能耗值累加得到二极管k时刻的反向恢复能耗值，即截止到第k时刻二极管的每次反向恢复产生的损耗的总和。

若二极管未发生反向恢复，即当第k时刻下IGBT模块的PWM信号为下降沿，则第k时刻的二极管反向恢复能耗值与第k-1时刻的反向恢复能耗值相等。

在本发明实施例中，反向回复能耗叠加触发模块根据下述表达式计算二极管第k时刻的反向恢复能耗值：

E_REC(k)＝E_REC(k-1)+E_rec(I_F)(k)*Triggered_up

其中，E_REC(k)为二极管第k时刻的反向恢复能耗值，E_REC(k-1)为第k-1时刻的反向恢复能耗值，Triggered_up为上升沿触发参数，判断IGBT模块所在桥臂内另一IGBT模块的开关控制信号在第k时刻是否为下降沿，若IGBT模块所在桥臂内另一IGBT模块的开关控制信号为下降沿时，Triggered_up取值为1，否则Triggered_up取值为0。

如图7所示，导通能耗子模块12由增益模块、选择模块、常数模块、二极管导通功耗查表模块和离散积分模块组成。

增益模块对IGBT模块的电流求反并输出该电流值，由于二极管与IGBT管反向并联连接，二极管导通时电流为负，所以在进行后续功耗计算前对IGBT模块的电流也就是二极管的工作电流求反得到二极管的电流值，用以计算二极管的导通功耗。

选择模块判断二极管的第k时刻的电流值是否大于0，若电流值大于0，即表明IGBT模块内二极管导通，此时获取二极管第k时刻电流值进行二极管导通功耗值的计算。若二极管的电流小于等于0，即表明IGBT模块内二极管未导通，此时选择模块输出常数模块提供的常数0，即二极管第k时刻电流值为0。

二极管导通功耗查表模块根据二极管第k时刻电流值查询二极管的电流与导通功率关系表，得到二极管第k时刻的导通功耗值。

其中，二极管的电流与导通功率关系表由器件手册提供，具体为：

如图9所示，根据器件手册提供的二极管在门极驱动电压V_CE＝7.5V，结温T_j分别为25℃和125℃时，导通状态下集电极电流I_c和管压降V_CE之间的关系图，选择图中某些点的电流I_c和压降V_CE计算相应的导通功耗P_{d_c}，得到结温为25℃情况下二极管的电流I_c与导通功率P_{d_c}关系表1和结温为125℃情况下二极管的电流I_c与导通功率P_{d_c}关系表2。

VCE(V)	0	1	1.5	2	2.5	3
							Ic(A)	0	8	175	500	990	1620
PD_C(w)	0	8	262.5	1000	2475	4860

表1

VCE(V)	0	1	1.5	2	2.5	3
							Ic(A)	0	90	280	540	900	1350
PD_C(w)	0	90	420	1080	2250	4050

表2

在本发明实施例中，二极管结温T_j选择为125℃，进而根据二极管第k时刻电流值查询二极管的电流与导通功率关系表格2得到二极管第k时刻的导通功率数值P_{d_c}。

离散积分模块获取二极管导通功耗查表模块输出的二极管的导通功率数值即导通功耗值，根据二极管的导通功耗值和第k时刻的时长t，通过积分计算二极管第k时刻的导通能耗值，并输出该导通能耗值。第k时刻的时长t为从仿真开始截止到第k时刻之间的时长。

在本发明实施例中，离散积分模块根据下述表达式计算二极管第k时刻的导通能耗值：

$Ec\_DIODE\left(k\right)={\∫}_0^t{P}_{d\_c}\left(I_c\right)dt$

其中，Ec_DIODE(k)为二极管第k时刻的导通能耗值，P_{d_c}(I_c)为截止到第k时刻二极管的实时导通功耗值。

进一步的，如图7所示，构建二极管的功耗模块14，对二极管的反向恢复能耗和导通能耗求和获得二极管的能量损耗，由预设时间段内二极管能量损耗的增量计算预设时间段内二极管的平均功耗。在本发明实施例中，预设时间段为采样周期，采样周期是根据仿真需求人为预先设定的，也可以设定采样频率进而得到采样周期。在对IGBT管建模仿真的过程中，每个采样周期都进行一次二极管的平均功耗的计算。

二极管的功耗模块14由加法模块和平均功耗计算模块组成。

加法模块获取二极管的反向恢复能耗子模块13输出的第k时刻的二极管的反向恢复能耗值和二极管的导通能耗子模块12输出的第k时刻的二极管的导通能耗值，并将第k时刻的反向恢复能耗值、导通能耗值求和得到第k时刻的二极管的能耗值，将第m时刻的反向恢复能耗值、导通能耗值求和得到第m时刻的二极管的能耗值，其中，第m时刻位于第k时刻之前，且与第k时刻相隔一个采样周期。

在本发明实施例中，加法模块根据下述表达式计算二极管第k时刻的能耗值：

E_D(k)＝Ec_DIODE(k)+E_REC(k)

其中，E_D(k)为二极管第k时刻的能耗值，Ec_DIODE(k)为二极管第k时刻的导通能耗值，E_REC(k)为二极管第k时刻的反向恢复能耗值；

二极管第m时刻的能耗值的计算方法与第k时刻的能耗值的计算方法相同。

平均功耗计算模块获取加法模块输出的第k时刻的二极管的能耗值和第m时刻的二极管的能耗值，计算采样周期内二极管能量损耗的增量，由采样周期内二极管能量损耗的增量计算采样周期内二极管的平均功耗。

在本发明实施例中，平均功耗计算模块根据表达式ΔE_D＝E_D(k)-E_D(m)计算采样周期内二极管能量损耗的增量ΔE_D，E_D(m)为二极管第m时刻的能耗值。

根据表达式计算采样周期内二极管的平均功耗Δt为采样周期时长。

下IGBT模块的二极管的平均功耗计算步骤与上述上IGBT模块的二极管的平均功耗计算步骤相同，在此不再赘述。

二极管的导通能耗子模块12和二极管的反向恢复能耗子模块13共同组成二极管的实时能耗模块11。二极管的实时能耗模块11和二极管的功耗模块14组成二极管的功耗计算模型，桥臂中上IGBT模块和下IGBT模块均可使用该功耗计算模型计算模块内二极管的平均功耗。

进一步，本发明实施例中提供的建模方法将整个逆变器拆分为三个桥臂，以单个桥臂为对象建立如图10所示的桥臂功耗计算模型，计算逆变器功耗则复制三个桥臂功耗计算模型即可，桥臂功耗计算模型则由IGBT管的实时能耗模块和功耗模块、二极管的实时能耗模块和功耗模块组成。

图10中桥臂功耗计算模型的接口及参数如表3所示：

序号	性质	接口/依赖名称	功能简述	类型
					1	接口	P_T1	上桥臂IGBT管功耗(W)	输出
2	接口	P_D1	上桥臂二极管功耗(W)	输出
					3	接口	P_T2	下桥臂IGBT管功耗(W)	输出
4	接口	P_D2	下桥臂二极管功耗(W)	输出
					5	接口	P1	上管脉冲	输入
6	接口	P2	下管脉冲	输入
					7	接口	C	电动机输入电流(A)	输入
8	接口	C1	上桥臂电流(A)	输入
					9	接口	C2	下桥臂电流(A)	输入
10	参数	a_Es_IGBT	IGBT管开关损耗系数a	——
					11	参数	b_Es_IGBT	IGBT管开关损耗系数b	——
12	参数	c_Es_IGBT	IGBT管开关损耗系数c	——
					13	参数	a_Pc_IGBT	IGBT管导通功率系数a	——
14	参数	b_Pc_IGBT	IGBT管导通功率系数b	——
					15	参数	c_Pc_IGBT	IGBT管导通功率系数c	——
16	参数	a_Es_DIODE	二极管反向恢复损耗系数a	——
					17	参数	b_Es_DIODE	二极管反向恢复损耗系数b	——
18	参数	c_Es_DIODE	二极管反向恢复损耗系数c	——

表3

在本发明实施例中，采用MATLAB/simulink模型库中的现有模型对牵引变流器电路和逆变器功耗计算进行建模，逆变器功耗计算模型由ABC三相桥臂功耗计算模型组成。对牵引变流器电路模型和逆变器内ABC三相桥臂功耗计算模型进行电气仿真，仿真过程中桥臂功耗计算模型获取牵引变流器电路模型输出的电动机输入电流、IGBT模块电流(即上桥臂电流和下桥臂电流)和脉冲信号(即上管脉冲和下管脉冲)，输出桥臂中各管器件的实时功耗，用以对各管器件进行热仿真。

在本发明实施例中，对逆变器进行热电协同仿真时，逆变器电气仿真对外接口分别输出逆变器ABC三相桥臂中6个IGBT模块的IGBT管和二极管以及一个斩波二极管(总共13个管)的功耗，并且根据热仿真需要，在逆变器电气仿真对外接口输出中添加了仿真时间和电机转速。

逆变器电气仿真对外接口输出的信号顺序如图11所示，输出的信号顺序及含义如下：

第1列：仿真时间(0.1s)；

第2-13列：分别为逆变器ABC三相桥臂中6个IGBT模块的IGBT管和二极管功耗(W)；

第14列：斩波管IGBT管功率(W)；

第15列：电机转速(rad/s)。

根据上述逆变器电气仿真输出信号，进行热仿真并输出波形，如图12所示，获得逆变器中各个IGBT管和二极管在电流周期和暂态变化、电机转速变化以及仿真时间影响下的功耗变化。图中横坐标为热仿真采样次数，P1为仿真时间，P2为A相上IGBT模块IGBT管功耗波形，P3为A相上IGBT模块二极管功耗波形，P4为A相下IGBT模块IGBT管功耗波形，P5为A相下IGBT模块二极管功耗波形，P6为B相上IGBT模块IGBT管功耗波形，P7为B相上IGBT模块二极管功耗波形，P8为B相下IGBT模块IGBT管功耗波形，P9为B相下IGBT模块二极管功耗波形，P10为C相上IGBT模块IGBT管功耗波形，P11为C相上IGBT模块二极管功耗波形，P12为C相下IGBT模块IGBT管功耗波形，P13为C相下IGBT模块二极管功耗波形，P15为电机转速。

本发明实施例中提供的建模方法通过对逆变器内部三个桥臂中IGBT管的开关能耗、导通能耗和二极管的反向恢复能耗、导通能耗分别进行实时计算，进而计算得到在预设时间段内IGBT管的平均功耗以及二极管的平均功耗，实现对于变流器在预设采样周期内平均功耗的计算，反映出电流周期及电流暂态变化对逆变器功耗波动的影响。由于本发明实施例中提供的方法是基于单个桥臂内IGBT管和二极管进行的建模和计算，逆变器内部三个桥臂均可套用该模型，因此具有易读性、通用性和移植性优点，并且可以便捷的与电气系统仿真和热仿真进行接口。同时，相对于现有技术中的基于半导体载流子输送特性的器件详细物理模型，本发明实施例中提供的建模方法具有效率高、能够长时间仿真的优点。虽然该类模型描述了器件运行的物理过程，物理意义明确、精度较高。但是该类模型的建立需要大量参数，参数的提取过程非常复杂，并且仿真步长很短，所以仿真效率不高，无法实现长时间的仿真。而本发明实施例中提供的建模方法具有传统平均损耗模型简单，仿真效率高、能够长时间仿真的优点，同时又能反应电流周期及电流暂态变化对功耗波动的影响。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于变流器功耗计算的建模方法，其特征在于，包括：

将变流器划分为若干桥臂，桥臂中包括IGBT管和/或二极管；

构建IGBT管的实时能耗模块，在统计时刻根据IGBT管的开关次数累计IGBT管的开关能耗，基于IGBT管导通时长和实时工作电流计算IGBT管的导通能耗；以及/或者

构建二极管的实时能耗模块，在统计时刻根据二极管的开关次数累计二极管的反向恢复能耗，基于二极管的导通时长和实时工作电流计算二极管的导通能耗。

2.根据权利要求1的建模方法，其特征在于，还包括：

构建IGBT管的功耗模块，对IGBT管的开关能耗和导通能耗求和获得IGBT管的能量损耗，由预设时间段内IGBT管能量损耗的增量计算预设时间段内IGBT管的平均功耗；以及/或者

构建二极管的功耗模块，对二极管的反向恢复能耗和导通能耗求和获得二极管的能量损耗，由预设时间段内二极管能量损耗的增量计算预设时间段内二极管的平均功耗。

3.根据权利要求1或2的建模方法，其特征在于，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建IGBT管的开关能耗子模块，在统计时刻判断IGBT管是否完成开关动作，若已完成开关动作，则将统计时刻的单次开关能耗累加至统计时刻之前的总开关能耗，若未完成开关动作，则舍弃统计时刻的单次开关能耗。

4.根据权利要求3的建模方法，其特征在于，包括：

提取统计时刻的IGBT管实时工作电流，基于统计时刻的实时工作电流和开关损耗系数计算统计时刻的单次开关能耗。

5.根据权利要求1或2的建模方法，其特征在于，在构建IGBT管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建IGBT管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的IGBT管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。

6.根据权利要求1或2的建模方法，其特征在于，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建二极管的反向恢复能耗子模块，在统计时刻判断二级管是否完成反向恢复，若已完成反向恢复则将统计时刻的单次反向恢复能耗累加至统计时刻之前的总反向恢复能耗，若未完成反向恢复，则舍弃统计时刻的单次反向恢复能耗。

7.根据权利要求6的建模方法，其特征在于，包括：

提取统计时刻的实时桥臂电流，基于统计时刻的实时桥臂电流和反向恢复损耗系数计算统计时刻的单次反向恢复能耗，其中，桥臂电流为桥臂与负载或电源连接电路的电流。

8.根据权利要求1或2的建模方法，其特征在于，在构建二极管的实时能耗模块的步骤中包括：

构建二极管的导通能耗子模块，提取在统计时刻之前的二极管的实时工作电流，基于实时工作电流计算实时导通功率，在统计时刻的仿真时长内积分计算导通能耗。