CN105574285A - 功率模块的损耗与结温仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率模块的损耗与结温仿真系统，所述系统包括用户界面单元和后台处理单元，所述用户界面单元用于接收功率模块的电参数和热参数以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法，所述后台处理单元用于根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元显示。所述功率模块的损耗与结温仿真系统可方便快捷的实现功率模块的损耗和结温计算，有利于获得精确地损耗和结温仿真结果，并方便工程师在电路设计时仿真系统的热可靠性情况。

Description

功率模块的损耗与结温仿真系统

技术领域

本发明涉及功率模块领域，特别涉及一种功率模块的损耗与结温仿真系统。

背景技术

随着节能环保的社会发展的要求，节能减排成为企业大力推广的技术。变流器是节能减排过程中一个重要的技术。变流器应用在各个行业，比如开关电源、电机驱动、UPS等领域。功率模块是变流器的核心，其热可靠性的好坏直接关系整个变流器的可靠性。

功率模块通常包括功率开关管和二极管。在使用过程中，功率模块的功耗主要来源于内部的功率开关管和二极管，功率开关管和二极管的损耗包括导通损耗和开关损耗，功率模块的损耗对于功率模块的应用至关重要。结温(JunctionTemperature)是衡量从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻的重要指标。如果器件工作温度超过最高结温，器件就可能会被破坏，器件也随即失效。所以，对于功率模块的设计和应用来说，有必要计算损耗并对结温进行仿真。然而，目前尚没有专门的针对功率模块的损耗和结温仿真的工具，必须通过工程师去手动计算损耗与结温，过程繁琐，效率低下，且计算结果不够准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率模块的损耗与结温仿真系统，以解决现有的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种功率模块的损耗与结温仿真系统，包括用户界面单元和后台处理单元，所述用户界面单元用于接收功率模块的电参数和热参数以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法，所述后台处理单元用于根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元显示。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元根据输入的电参数以及所述功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗，根据所述功率模块的损耗以及输入的热参数计算所述功率模块的结温。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元包括存储单元以及计算单元，所述存储单元存储有每种型号的功率模块对应的稳态热阻以及功率模块使用的多种控制算法，所述计算单元根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块包括若干IGBT以及若干二极管，所述功率模块的损耗包括IGBT的导通损耗、IGBT的开关损耗、二极管的导通损耗以及二极管的开关损耗，所述功率模块的结温包括IGBT的结温和二极管的结温。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元根据如下公式计算单个IGBT的导通损耗P_ss1：

其中，M为所述功率模块的调制比，cosφ为所述功率模块的功率因素，I_rms为所述功率模块的平均电流，V_ce0(Tj)为特定结温Tj下的IGBT阈值电压，R_ce(Tj)为特定结温Tj下的IGBT通态斜率电阻。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，

所述功率模块的调制比M、所述功率模块的功率因素cosφ和所述功率模块的平均电流I_rms是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元中存储有如下参数：常温下IGBT阈值电压V_ce0_25、高温下IGBT阈值电压V_ce0_125、常温下IGBT通态斜率电阻R_ce_25、高温下IGBT通态斜率电阻R_ce_125；

所述计算单元根据如下公式计算所述特定结温Tj下的IGBT阈值电压V_ce0(Tj)：V_ce0(Tj)＝V_ce0_25+((V_ce0_125-V_ce0_25)/100*(Tj-25))；

所述计算单元如下公式计算所述特定结温Tj下的IGBT通态斜率电阻R_ce(Tj)：R_ce(Tj)＝R_ce_25+((R_ce_125-R_ce_25)/100*(Tj-25))。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，通过提取功率模块的规格书中IGBT输出曲线的数据并对其进行线性化拟合获得所述常温下IGBT阈值电压V_ce0_25、高温下IGBT阈值电压V_ce0_125、常温下IGBT通态斜率电阻R_ce_25、高温下IGBT通态斜率电阻R_ce_125。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元根据如下公式计算单个IGBT的开关损耗P_sw1：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\π}}*f_{sw}*Etol\left(Tj\right)*\frac{I_{rms}}{I_{cn}}*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Etol(Tj)为特定结温Tj下单个IGBT开通和关断一次的总损耗。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，当I_rms/I_cn<1/10时，所述后台处理单元根据如下公式计算单个IGBT的开关损耗P_sw1：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Etol\left(Tj\right)*{\left(\frac{I_{rms}}{I_{cn}}\right)}^k*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Etol(Tj)为特定结温Tj下单个IGBT开通和关断一次的总损耗，k为修正系数。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块的开关频率f_sw、功率模块的平均电流I_rms和功率模块的母线电压V_dc是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元中存储有如下参数：功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、门级电阻Rg、IGBT常温下开关损耗Etol_25和IGBT高温下开关损耗Etol_125；

所述计算单元根据如下公式计算特定结温Tj下单个IGBT开通和关断一次的总损耗Etol(Tj)：Etol(Tj)＝Etol_25+((Etol_125-Etol_25)/100*(Tj-25))。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，

对于门极电阻Rg固定的功率模块，通过测试固定的门极电阻Rg下的开关损耗得到所述IGBT常温下开关损耗Etol_25和IGBT高温下开关损耗Etol_125；

对于门极电阻Rg可变的功率模块，根据功率模块的规格书中的Etol-Rg曲线，选取25℃时Etol-Rg曲线中额定条件下的门极电阻Rg1_25和其对应的开关损耗Etol1_25以及最大的门极电阻Rg2_25和其对应的Etol2_25，选取125℃时Etol-Rg曲线中额定条件下的门极电阻Rg1_125和其对应的开关损耗Etol1_125以及最大的门极电阻Rg2_125和其对应的Etol2_125，并根据如下公式得到所述IGBT常温下开关损耗Etol_25和IGBT高温下开关损耗Etol_125：

Etol_25＝Etol1_25+(Etol2_25-Etol1_25)/(Rg2_25-Rg1_25)*(Rg-Rg1_25)；

Etol_125＝Etol1_125+(Etol2_125-Etol1_125)/(Rg2_125-Rg1_125)*(Rg-Rg1_125)。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元根据如下公式计算所述二极管的导通损耗P_ss2：

其中，M为功率模块的调制比，cosφ为功率模块的功率因素，I_rms为功率模块的平均电流，V_d0(Tj)为特定结温Tj下的二极管阈值电压，R_d(Tj)为特定结温Tj下的二极管通态斜率电阻。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，

所述功率模块的调制比M、所述功率模块的功率因素cosφ和所述功率模块的平均电流I_rms是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元存储有如下参数：二极管常温下阈值电压V_d0_25、二极管高温下阈值电压V_d0_125、二极管常温下通态斜率电阻R_d_25、二极管高温下通态斜率电阻R_d_125；

所述计算单元根据如下公式计算所述特定结温Tj下的二极管阈值电压V_d0(Tj)：V_d0(Tj)＝V_d0_25+((V_d0_125-V_d0_25)/100*(Tj-25))

所述计算单元根据如下公式计算所述特定结温Tj下的二极管通态斜率电阻R_d(Tj)：R_d(Tj)＝R_d_25+((R_d_125-R_d_25)/100*(Tj-25))。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，通过提取功率模块的规格书中二极管正向曲线的数据并对其进行线性化拟合获得所述二极管常温下阈值电压V_d0_25、二极管高温下阈值电压V_d0_125、二极管常温下通态斜率电阻R_d_25、二极管高温下通态斜率电阻R_d_125。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元根据如下公式计算二极管的开关损耗P_sw2：

$P_{sw2}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Eoff\left(Tj\right)*\frac{I_{rms}}{I_{cn}}*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Eoff(Tj)为特定结温Tj下单个二极管的关断损耗。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，当I_rms/I_cn<1/10时，所述后台处理单元根据如下公式计算二极管的关断损耗P_sw2：

$P_{sw2}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Eoff\left(Tj\right)*{\left(\frac{I_{rms}}{I_{cn}}\right)}^k*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Eoff(Tj)为特定结温Tj下单个二极管的关断损耗，k为修正系数。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块的开关频率f_sw、功率模块的平均电流I_rms和功率模块的母线电压V_dc是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元中存储有如下参数：功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、门级电阻Rg、二极管常温下关断损耗Eoff_25、二极管高温下关断损耗Eoff_125、

所述计算单元根据如下公式计算特定结温Tj下单个二极管的关断损耗Eoff(Tj)：Eoff(Tj)＝Eoff_25+((Eoff_125-Eoff_25)/100*(Tj-25))。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，根据如下公式计算所述IGBT的结温Tj1：

Tj1＝Tc+P1*Rjc；

其中，Tc为壳温，Rjc为IGBT的稳态热阻，P1为单个IGBT的损耗。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述单个IGBT的损耗为单个IGBT的导通损耗与单个IGBT的开关损耗之和。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述壳温Tc是通过所述用户界面单元接收的热参数，所述存储单元中存储有各种型号的功率模块对应的IGBT的稳态热阻Rjc。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，根据如下公式计算所述二极管的结温Tj2：

Tj2＝Tc+P2*Rjcd；

其中，Tc为壳温，Rjcd为二极管的稳态热阻，P2为单个二极管的损耗。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述单个二极管的损耗为单个二极管的导通损耗与单个二极管的关断损耗之和。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述壳温Tc是通过所述用户界面单元接收的热参数，所述存储单元中存储有各种型号的功率模块对应的二极管的稳态热阻Rjcd。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述后台处理单元还用于根据所述功率模块的损耗和结温绘制所述功率模块的稳态曲线和瞬态曲线。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块的稳态曲线包括IGBT的损耗与电流的关系曲线、IGBT的损耗与频率的关系曲线中、二极管的损耗与电流的关系曲线以及二极管的损耗与频率的关系曲线中的至少一种。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块的瞬态曲线包括一个输出频率周期内IGBT的损耗和结温的曲线以及一个输出频率周期内二极管的损耗和结温的曲线中的至少一种。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块采用SVPWM控制算法时，先对单个IGBT的损耗进行正弦离散化处理，再进行结温的迭代。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，对单个IGBT的损耗进行正弦离散化处理再进行结温的迭代的步骤包括：

将瞬态损耗p(t)表示为如下公式：

p(t)＝Pmax*sin(2π*t*T0)

其中，t为时间，T0为输出周期，T0＝1/f0，f0为输出频率，Pmax为最大损耗，并根据如下公式预估一最大损耗Pmax：

$P\max =\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}*\frac{Tj\max -Tc}{Rjc}*1.12*(1-e^{(-\frac{f0}{20})})$

预估出最大损耗Pmax后，对t在0至T0之间离散，以对瞬态损耗p(t)离散化，根据如下公式计算结壳的温差Tjc，所述结壳的温差Tjc为结温Tj与壳温Tc之差：

Δt＝t(k)-t(k-1)

Δp＝p(t(k))-p((k-1))

${\mathrm{\&Delta;T}}_{jc}\left(i\right)={\mathrm{\&Delta;T}}_{jc}(i-1)*e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)}+p\left(t\right(k\left)\right)*{\mathrm{Rth}}_i*(1-e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)})+\mathrm{\&Delta;}p/\mathrm{\&Delta;}t*{\mathrm{Rth}}_i*\left({\mathrm{\&Delta;tTau}}_i\right(1-e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)}\left)\right)$

T_jc(i)＝T_jc(i-1)+ΔT_jc(i)

其中，Rth_i为IGBT的热阻，Tau_i为IGBT的热时间常数；

上述结壳的温差Tjc计算过程中，i从1到4进行循环，这样得出每一个p(t(k))下对应的结壳的温差Tjc，记下整个p(t)计算过程中的最大Tjc，记为Tjcmax，然后根据以下方式对最大结温Pmax进行调整：

如果，Tjcmax-(Tjmax-Tc)>0.01*(Tjmax-Tc)，则Pmax＝0.99*Pmax，然后重复上述计算过程；如果，(Tjmax-Tc)-Tjcmax>0.01*(Tjmax-Tc)，则Pmax＝1.01*Pmax，然后重复上述计算过程；当收敛到一个Pmax时，整个计算过程中的p(t)和Tjc(t)也随之确定。

最后，根据公式Tj＝Tc+Tjc，得出结温Tj的瞬态值，从而绘制出一个输出频率周期内IGBT的损耗和结温的曲线。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述最大结温Tjmax、壳温Tc、输出频率f0是通过所述用户界面单元接收的热参数；所述存储单元存储有如下参数：IGBT的热阻Rth₁、Rth₂、Rth₃、Rth₄和IGBT的热时间常数Tau₁、Tau₂、Tau₃、Tau₄。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，通过提取功率模块的规格书中IGBT的瞬态热阻曲线的数据进而得出IGBT的热阻Rth₁、Rth₂、Rth₃、Rth₄和IGBT的热时间常数Tau₁、Tau₂、Tau₃、Tau₄。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块为全桥逆变器或半桥逆变器。

可选的，在所述的功率模块的损耗与结温仿真系统中，所述功率模块为三相全桥逆变器。

本发明提供一种功率模块的损耗与结温仿真系统，所述功率模块的损耗与结温仿真系统包括用户界面单元和后台处理单元，所述用户界面单元用于接收功率模块的电参数和热参数以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法，所述后台处理单元用于根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元显示。所述功率模块的损耗与结温仿真系统可方便快捷的实现功率模块的损耗和结温计算，有利于获得精确地损耗和结温仿真结果。并且，所述功率模块的损耗与结温仿真系统适用于各种型号的功率模块和各种控制算法，并可实现图形界面的输入和输出，方便工程师在电路设计时仿真系统的热可靠性情况。此外，所述功率模块的损耗与结温仿真系统还可提供功率模块的稳态曲线和瞬态曲线，非常直观的体现功率模块的热特性。

附图说明

图1是三相全桥逆变器的结构示意图；

图2是本发明一实施例中功率模块的损耗与结温仿真系统的结构示意图；

图3是本发明一实施例中结温迭代的示意图；

图4是本发明一实施例中平均电流与损耗的曲线；

图5是本发明一实施例中频率与损耗的曲线；

图6是本发明一实施例中IGBT的瞬态损耗曲线；

图7是本发明一实施例中功率模块的损耗与结温仿真系统的界面示意图；

图8是本发明一实施例中功率模块的损耗与结温仿真方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的功率模块的损耗与结温仿真系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

首先介绍一下功率模块的概念，所述功率模块通常包括若干IGBT以及若干二极管，每个IGBT并列一个二极管，所述功率模块的损耗包括IGBT的导通损耗、IGBT的开关损耗、二极管的导通损耗以及二极管的开关损耗，所述功率模块的结温包括IGBT的结温和二极管的结温。计算所述功率模块的损耗是指计算IGBT的导通损耗、IGBT的开关损耗、二极管的导通损耗以及二极管的开关损耗中的一种或多种。计算所述功率模块的结温是指计算IGBT的结温和二极管的结温中的一种或多种。

本申请的核心思想在于，通过用户界面单元实现功率模块的电参数和热参数的输入以及产品型号和控制算法的选择，并通过后台处理单元进行繁琐的损耗和结温计算过程，再将计算结果通过用户界面单元展现出来，以方便、快捷的实现功率模块的损耗计算和结温仿真。尤其是还提供了功率模块的稳态曲线和瞬态曲线(损耗与结温的输出曲线)，可非常直观的展现功率模块的热特性。

图2是本发明一实施例的功率模块的损耗与结温仿真系统的结构示意图。所述功率模块的损耗与结温仿真系统包括用户界面单元10和后台处理单元20。所述用户界面单元10用于与用户进行交互，并接收功率模块的电参数和热参数以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法。所述后台处理单元20用于根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元10显示。

其中，所述后台处理单元例如包括存储单元21以及计算单元22，所述存储单元21存储有与功率模块使用的多种控制算法以及每种型号的功率模块对应的稳态热阻，所述计算单元22根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元10显示。其中，所述计算单元22根据输入的电参数以及所述功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗，根据所述功率模块的损耗以及输入的热参数计算所述功率模块的结温。

进一步的，所述存储单元21还存储有如下仿真所需的参数：常温下IGBT阈值电压V_ce0_25、高温下IGBT阈值电压V_ce0_125、常温下IGBT通态斜率电阻R_ce_25、高温下IGBT通态斜率电阻R_ce_125。可通过提取功率模块的规格书中IGBT输出曲线的数据并对其进行线性化拟合获得所述R_ce_25、V_ce0_25、R_ce_125和V_ce0_125。详细的，可根据功率模块的规格书中的IGBT输出曲线，得出Vce＝f(Ic，T)，功率模块的规格书一般会给出常温(25℃)和高温(125℃)下的两条IGBT输出曲线，为了简化且不失计算精度，将IGBT阈值电压V_ce采用集电极电流I_c的线性函数表示:V_ce＝R_ce*I_c+V_ce0，可将IGBT输出曲线上的V_ce、I_c数据抓取出来，使用MATLAB对其分别进行线性拟合，进而得到R_ce_25、V_ce0_25、R_ce_125、V_ce0_125，再将其存储至所述存储单元21中。本文中常温均是指25℃，高温均是指125℃，后续不再特别说明。

进一步的，所述存储单元21还存储有如下仿真所需的参数：二极管常温下阈值电压V_d0_25、二极管高温下阈值电压V_d0_125、二极管常温下通态斜率电阻R_d_25、二极管高温下通态斜率电阻R_d_125。可通过提取功率模块的规格书中二极管正向曲线的数据并对其进行线性化拟合获得所述V_d0_25、V_d0_125、R_d_25、R_d_125。详细的，可将功率模块的规格书中的二极管正向曲线上的数据抓取出来，使用MATLAB对其分别进行线性拟合，得出V_d0_25、V_d0_125、R_d_25、R_d_125，再将其存储至所述存储单元21中。

进一步的，所述存储单元21还存储有如下仿真所需的参数：功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、IGBT常温下开关损耗Etol_25、IGBT高温下开关损耗Etol_125、二极管常温下关断损耗Eoff_25、二极管高温下关断损耗Eoff_125、门级电阻Rg、IGBT的稳态热阻Rjc、二极管稳态热阻Rjcd。所述二极管常温下关断损耗Eoff_25、二极管高温下关断损耗Eoff_125可直接从规格书中读取。所述IGBT常温下开关损耗Etol_25、IGBT高温下开关损耗Etol_125均是在特定的驱动条件栅极-发射极电压Vge和门级电阻Rg的情况下得出的。由于一般的功率模块在驱动过程中采用同样的栅极-发射极电压Vge，因此这里对栅极-发射极电压Vge不作修订。对于门极电阻Rg固定的功率模块，比如智能功率模块(IPM)，其门级电阻Rg是固定的，这种情况下，通过测试固定的门极电阻Rg下的开关损耗获得所述Etol_25和Etol_125。对于门极电阻Rg可变的功率模块，可根据功率模块的规格书中的Etol-Rg曲线，选取25℃时Etol-Rg曲线中额定条件下的门极电阻Rg1_25和其对应的开关损耗Etol1_25以及最大的门极电阻Rg2_25和其对应的Etol2_25，选取125℃时Etol-Rg曲线中额定条件下的门极电阻Rg1_125和其对应的开关损耗Etol1_125以及最大的门极电阻Rg2_125和其对应的Etol2_125，并根据如下公式得到Etol_25和Etol_125：

Etol_25＝Etol1_25+(Etol2_25-Etol1_25)/(Rg2_25-Rg1_25)*(Rg-Rg1_25)；

Etol_125＝Etol1_125+(Etol2_125-Etol1_125)/(Rg2_125-Rg1_125)*(Rg-Rg1_125)。

进一步的，所述存储单元21还存储有如下仿真所需的参数：IGBT的瞬态热阻和二极管的瞬态热阻。对于瞬态热阻的提取，优选采用解数值方程的办法。例如，首先建立功率模块的热电耦合模型，以Foster网络结构表示，将热阻抗通过恒等变换表现为Foster网络结构模型，该模型以热阻和热容并联，再一起串联的形式来表示瞬态热阻，该热阻抗模型的结构简单，计算速度快，且方便地实现了与电学模型耦合仿真。那么，瞬态热阻表示成如下方程：

$Z_{th}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{Rth}}_i(1-e^{\frac{-t}{{\mathrm{Tau}}_i}})$

其中，Zth(t)为瞬态热阻，Rth_i为热阻，Tau_i为热时间常数。

可从功率模块的规格书中读取IGBT的瞬态热阻曲线，将IGBT的瞬态热阻曲线上的数据抓取出来，采取尽量多的数据点，根据实际经验，针对上述瞬态热阻公式取四阶方程，这样就会产生8个未知数，通过MATLAB解非线性方程组，得出IGBT的热阻Rth₁、Rth₂、Rth₃、Rth₄，IGBT的热时间常数Tau₁、Tau₂、Tau₃、Tau₄。可采用的同样的办法提取二极管的瞬态热阻，得出二极管的热阻Rthd₁、Rthd₂、Rthd₃、Rthd₄，二极管的热时间常数Taud₁、Taud₂、Taud₃、Taud₄。并将上述IGBT的热阻、热时间常数和二极管的热阻、热时间常数存储至所述存储单元21中。

本实施例中，所述功率模块可以是逆变器，例如是全桥逆变器或半桥逆变器。下面以所述功率模块为三相全桥逆变器为例详细介绍本发明实施例的功率模块的损耗与结温仿真系统的工作过程。

首先，执行步骤S1，所述用户界面单元10接收功率模块的电参数和热参数以及用户选择的功率模块的型号和功率模块使用的控制算法信息。即，用户界面单元10提供一可供输入参数和选择型号及算法界面，供用户输入功率模块的电参数和热参数，以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法。

如图7所示，用户界面单元10提供一可供用户输入所述功率模块的电参数和热参数并选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法的界面。通常，功率模块例如逆变器的损耗根据不同的控制算法而不同，这里以SVPWM算法为例，输入的功率模块的电参数包括调制比M(modulationfactorm)、功率因素cosφ(powerfactorcosφ)、平均电流I_rms(RMScurrentIrms)、母线电压Vdc(IDClinkvoltageVdc)、开关频率fsw(switchingfrequencyfs)，输入的功率模块的热参数包括最大结温Tjmax(max.juntiontemperatureTj)、壳温Tc(casetemperatureTc)、输出频率f0(frequencyf0)、最大频率(maxfrequency)、最小频率(minfrequency)。所述电参数和热参数可利用测试仪器测试获得。应当理解的是，上述输入的参数仅是举例，而并非用来限定本发明，实际上，所述功率模块使用不同控制算法时，计算其损耗所用的参数也不相同，本领域技术人员根据所选择的控制算法输入的参数也不尽相同。

接着，执行步骤S2，所述后台处理单元20根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温。本实施例中，所述功率模块的损耗包括IGBT的导通损耗、IGBT的开关损耗、二极管的导通损耗以及二极管的开关损耗，因此采用如下四个步骤计算所述功率模块的损耗。

第一步：计算单个IGBT的导通损耗

因为单个IGBT只负责正半周波(或者负半周波)电流流过，因此单个IGBT的导通损耗按照以下公式计算：

$P_{ss1}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}{V}_{ce}(t,Tj)*I_{rms}\left(t\right)\mathrm{\&tau;}\left(t\right)dt$

其中，V_ce＝R_ce(Tj)*I_rms+V_ce0(Tj)，

所以单个IGBT的导通损耗P_ss1为:

其中，M为所述功率模块的调制比，φ为电压电流相位差，cosφ为所述功率模块的功率因素，I_rms为所述功率模块的平均电流，V_ce0(Tj)为特定结温Tj下的IGBT阈值电压，R_ce为特定结温Tj下的IGBT通态斜率电阻。

如前所述，所述功率模块的调制比M、所述功率模块的功率因素cosφ以及所述功率模块的平均电流Irms是通过所述用户界面单元10输入的电参数，常温下IGBT阈值电压V_ce0_25、高温下IGBT阈值电压V_ce0_125、常温下IGBT通态斜率电阻R_ce_25、高温下IGBT通态斜率电阻R_ce_125均存储于所述存储单元21中，所述计算单元21可从存储单元21调取V_ce0_25、V_ce0_125、R_ce_25、R_ce_125，并根据如下公式计算所述特定结温Tj下的IGBT阈值电压V_ce0(Tj)和特定结温Tj下的IGBT通态斜率电阻R_ce(Tj)：

V_ce0(Tj)＝V_ce0_25+((V_ce0_125-V_ce0_25)/100*(Tj-25))；

R_ce(Tj)＝R_ce_25+((R_ce_125-R_ce_25)/100*(Tj-25))。

通过上述公式计算得知V_ce0(Tj)、R_ce(Tj)后，所述计算单元22即可计算单个IGBT的导通损耗P_ss1。

第二步：计算所述IGBT的开关损耗

由于单个IGBT在半个周期内开通关断各fsw次，故单个IGBT的开关损耗P_sw1为：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{f_{sw}}{\&Sigma;}}{E}_{tol}(Tj,I_{rms})$

又因为开关损耗随电流的变化是非线性的，很难用解析表达式去量化，一般功率模块的规格书中提供了额定电流和额定电压下的开关损耗。在具有工程精度情况下，可以将单个IGBT的开关损耗P_sw1按照电压电流进行折算：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Etol\left(Tj\right)*\frac{I_{rms}}{I_{cn}}*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Etol(Tj)为特定结温Tj下IGBT的开关损耗(即单个IGBT开通和关断一次的总损耗)。

上述公式中Etol(Tj)包括了IGBT开通和关断一次的总损耗，大小根据结温的不同而不同。一般规格书都给出了常温(25℃)和高温(125℃)IGBT在额定电流下的开关损耗，这里做一个线性插值处理，即采用如下公式计算Etol(Tj)：

Etol(Tj)＝Etol_25+((Etol_125-Etol_25)/100*(Tj-25))

如前所述，所述功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、IGBT常温下开关损耗Etol_25、IGBT高温下开关损耗Etol_125、门级电阻Rg存储于所述存储单元21中，所述计算单元21可从所述存储单元21调取Etol_25、Etol_125，进而计算得知Etol(Tj)，由此计算单个IGBT的开关损耗P_sw1。

发明人发现，在电流较小时，单位电流下的损耗会明显增大，上述单个IGBT的开关损耗P_sw1的计算公式会带来较大的误差，因此，优选方案中，在小电流情形下进行修正，例如当I_rms/I_cn<1/10时，所述后台处理单元20根据如下公式计算所述IGBT的开关损耗P_sw1：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Etol\left(Tj\right)*{\left(\frac{I_{rms}}{I_{cn}}\right)}^k*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，k为修正系数，k例如取值为0.85。

第三步：计算所述二极管的导通损耗

二极管和导通损耗和IGBT的导通损耗计算推导原理相同，只是二极管的占空比如下：

因而，单个二极管的导通损耗P_ss2采用如下公式计算：

其中，M为所述功率模块的调制比，cosφ为所述功率模块的功率因素，I_rms为所述功率模块的平均电流，V_d0(Tj)为特定结温Tj下的二极管阈值电压，R_d(Tj)为特定结温Tj下的二极管通态斜率电阻。

如前所述，所述功率模块的调制比M、所述功率模块的功率因素cosφ、所述功率模块的平均电流I_rms是用户通过所述用户界面单元10输入的电参数，所述二极管常温下阈值电压V_d0_25、二极管高温下阈值电压V_d0_125、二极管常温下通态斜率电阻R_d_25、二极管高温下通态斜率电阻R_d_125均存储于所述存储单元21中，所述计算单元21可从所述存储单元21调取V_d0_25、V_d0_125、R_d_25、R_d_125，并根据如下公式计算所述特定结温Tj下的二极管阈值电压V_d0(Tj)和特定结温Tj下的二极管通态斜率电阻R_d(Tj)：

V_d0(Tj)＝V_d0_25+((V_d0_125-V_d0_25)/100*(Tj-25))

R_d(Tj)＝R_d_25+((R_d_125-R_d_25)/100*(Tj-25))

通过上述公式计算得知V_d0(Tj)、R_d(Tj)后，所述计算单元22即可计算单个二极管的导通损耗P_ss2。

第四步：计算二极管的开关损耗

由于二极管的开通损耗非常小(可忽略不计)，仅需计算二极管的关断损耗。与IGBT开关损耗推导方法一样，可以得出二极管的关断损耗P_sw2计算公式为：

$P_{sw2}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Eoff\left(Tj\right)*\frac{I_{rms}}{I_{cn}}*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为所述功率模块的开关频率，I_rms为所述功率模块的平均电流，I_cn为所述功率模块的额定电流，V_dc为所述功率模块的母线电压，V_cn为所述功率模块的额定电压，Eoff(Tj)为特定结温Tj下二极管的关断损耗。

根据如下公式计算所述特定结温Tj下二极管关断一次的损耗Eoff(Tj)：

Eoff(Tj)＝Eoff_25+((Eoff_125-Eoff_25)/100*(Tj-25))。

如前所述，功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、二极管常温下的关断损耗Eoff_25、二极管高温下的关断损耗Eoff_125、门级电阻Rg存储于所述存储单元21中，所述计算单元21可从所述存储单元21调取Eoff_25、Eoff_125，进而得知Eoff(Tj)，所述计算单元22即可由此计算单个二极管的关断损耗P_sw2。

在电流较小时，单位电流下的损耗会明显增大，上述计算公式会带来较大的误差，因此，优选方案中，在小电流情形下进行修正，例如当I_rms/I_cn<1/10时，所述后台处理单元根据如下公式计算所述IGBT的开关损耗P_sw2：

$P_{sw2}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Eoff\left(Tj\right)*{\left(\frac{I_{rms}}{I_{cn}}\right)}^k*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，k为修正系数，例如取值为0.85。

本实施例中，所述功率模块的损耗包括IGBT的结温和二极管的结温，因此采用如下两个步骤计算所述功率模块的结温。

第一步：计算所述IGBT的结温

可根据如下公式计算所述IGBT的结温Tj1：

Tj1＝Tc+P1*Rjc

其中，Tc为壳温，Rjc为IGBT的稳态热阻，P1为单个IGBT的损耗。这里，壳温Tc为通过用户界面单元10输入的热参数，每种型号的功率模块对应有相应的IGBT的稳态热阻Rjc，在用户选择功率模块的型号后，所述后台处理单元20自动调用相应的IGBT的稳态热阻Rjc参数计算结温。

这里，单个IGBT的损耗P1为单个IGBT的导通损耗P_ss1和单个IGBT的开关损耗P_sw1之和，由于计算单个IGBT的导通损耗P_ss1和单个IGBT的开关损耗P_sw1过程中，在计算公式中需要结温Tj条件，因此这里需要对结温Tj进行迭代，直至两种结温(Tj1和Tj)达到一个预设的容差值为止。以所述容差值为0.1℃为例，结温迭代过程如图3所示，先将最大结温Tjmax代入单个IGBT的导通损耗P_ss1和单个IGBT的开关损耗P_sw1的公式中计算得到单个IGBT的损耗(LossIgbt)，再将单个IGBT的损耗(LossIgbt)P1代入Tj1＝Tc+P1*Rjc中，得到一个Tj1。令Tj＝Tj1-1，则进入迭代过程。在迭代过程中，Tj保存前一次计算的值，Tj1为后一次计算的值，若计算得到Tj1与Tj的差值的绝对值大于0.1，则继续计算，直至Tj1与Tj的差值的绝对值小于等于0.1为止。由于所述后台处理单元20可自动进行IGBT的结温的迭代过程，有利于获得准确的IGBT结温仿真结果。

第二步：计算所述二极管的结温

可根据如下公式计算所述二极管的结温Tj2：

Tj2＝Tc+P2*Rjcd

其中，Tj2为所述二极管的结温，Tc为壳温，Rjcd为二极管的稳态热阻，P2为单个二极管的损耗。这里，壳温Tc为通过用户界面单元10输入的参数，每种型号的功率模块对应有相应的Rjcd，在用户选择功率模块的型号后，所述后台处理单元自动调用相应的Rjcd参数计算结温。这里，单个二极管的损耗P2为单个二极管的导通损耗P_ss2和单个二极管的开关损耗P_sw2之和，由于计算单个二极管的导通损耗P_ss2和单个二极管的开关损耗P_sw2过程中，在计算公式中需要结温Tj条件，因此这里同样需要对结温Tj进行迭代，直至两种结温(Tj2和Tj)达到一个预设的容差值为止。此过程与IGBT的结温迭代过程类似，不再赘述。由于所述后台处理单元20可自动进行二极管的结温的迭代过程，有利于获得准确的二极管结温仿真结果。

最后，执行步骤S3，通过所述用户界面单元10显示所述功率模块的损耗和结温计算结果，方便工程师在电路设计时仿真系统的热可靠性情况。

如图7所示，本实施例中，所述用户界面单元10显示的参数具体包括：单个IGBT的总损耗(P(IGBT))、单个IGBT的静态损耗(staticIGBTlosses)、单个IGBT的动态损耗(dynamicIGBTlosses)、单个二极管的总损耗(P(FRD))、单个二极管的静态损耗(staticFRDlosses)、单个二极管的动态损耗(dynamicFRDlosses)、功率模块的所有IGBT的总损耗(P(IGBTpart))、功率模块的所有二极管的总损耗(P(FRDpart))、整个功率模块的总损耗(P(Total))、IGBT的结温(IGBT_AveTj)、二极管的结温(FRD_AveTj)。

其中，单个IGBT的总损耗为单个IGBT的静态损耗和单个IGBT的动态损耗之和，这里的单个IGBT的静态损耗即为单个IGBT的导通损耗，单个IGBT的动态损耗即为单个IGBT的开关损耗；单个二极管的总损耗为单个二极管的静态损耗和单个二极管的动态损耗之和，这里的单个二极管的静态损耗即为单个二极管的导通损耗，单个二极管的动态损耗即为单个二极管的开关损耗。功率模块的所有IGBT的总损耗即为单个IGBT的总损耗与IGBT的个数的乘积，功率模块的所有二极管的总损耗即为单个二极管的总损耗与二极管的个数的乘积。如图1所示，以所述功率模块为三相全桥逆变器为例，包括6个IGBT和6个二极管，所述6个IGBT分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6，所述6个二极管分别为VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6，因而，单个IGBT的总损耗为7.266w，则功率模块的所有IGBT的总损耗即为43.594w，单个二极管的总损耗为0.739w，功率模块的所有二极管的总损耗即为4.435w，因而，整个功率模块的总损耗即为功率模块的所有IGBT的总损耗与功率模块的所有二极管的总损耗之和，即48.029w。

优选方案中，所述后台处理单元20还用于绘制所述功率模块的稳态曲线和瞬态曲线，并通过所述用户界面单元10显示。

对于所述稳态曲线而言，根据实际工程需求，优选绘制平均电流I_rms与损耗的曲线以及频率与损耗的曲线。本实施例中，分别绘制了平均电流I_rms与单个IGBT的总损耗(PIgbtloss)、单个二极管的总损耗(PFrdloss)、单个IGBT和单个二极管的总损耗之和(PTotalloss)的曲线。绘制平均电流I_rms与损耗Loss的曲线时，对用户输入的平均电流I_rms进行离散化，即，当输入的平均电流I_rms为5A，则横坐标取0-5A，并依据该平均电流I_rms计算得到单个IGBT的总损耗、单个二极管的总损耗、单个IGBT和单个二极管的总损耗之和，进而获得如图4所示的平均电流I_rms与损耗的曲线。频率与损耗的曲线平均电流I_rms与损耗的曲线与平均电流I_rms与损耗的曲线的绘制方法类似。区别在于，对于功率模块来说，频率fsw的范围一般如下5f0<fsw<20KHz，因而，通过用户界面单元10输入参数时即输入了最大频率(maxfrequency)和最小频率(minfrequency)，绘制频率与损耗的曲线时，横坐标最大值即为该最大频率，横坐标最小值即为该最小频率。本实施例中，分别绘制了频率与单个IGBT的总损耗(PIgbtloss)、单个二极管的总损耗(PFrdloss)、单个IGBT和单个二极管的总损耗之和(PTotalloss)的曲线，进而获得如图5所示的频率与损耗的曲线。

实际情况下，由于IGBT的损耗和结温Tj都是波动的，对于所述瞬态曲线而言，一般只需要绘制出一个输出频率周期内的波动曲线。对于SVPWM控制算法，由于IGBT的损耗的输出曲线接近正弦曲线，首先对损耗进行正弦离散化处理，然后进行结温的迭代。

最终得到的IGBT的瞬态曲线如图6所示，其中，lossp为一个输出频率周期内单个IGBT的损耗波动曲线，averagePv_av为IGBT稳态损耗曲线，junctiontemperature为一个输出频率周期内结温波动曲线，averageTj为IGBT稳态结温曲线。

下面以SVPWM控制算法为例详细介绍瞬态曲线的绘制过程。

对于SVPWM控制算法，功率模块输出的电流Irms一般类似于正弦曲线，因此IGBT瞬态损耗也是类似正弦曲线，可将瞬态损耗p(t)表示为如下公式：

p(t)＝Pmax*sin(2π*t*T0)

其中，t表示时间，T0表示输出周期，T0＝1/f0，f0为输出频率，Pmax表示最大损耗，可根据如下公式预估一个最大损耗Pmax：

$P\max =\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}*\frac{Tj\max -Tc}{Rjc}*1.12*(1-e^{(-\frac{f0}{20})})$

本实施例中，最大结温Tjmax(max.juntiontemperatureTj)、壳温Tc(casetemperatureTc)、输出频率f0均是用户通过用户界面单元10事先输入的。

预估出最大损耗Pmax后，对t进行离散(使t在0-T0之间取值)，即可对瞬态损耗p(t)离散化，即，对于每一个p(t(k))，可根据如下公式计算结壳的温差Tjc，所述结壳的温差Tjc即为结温与壳温之差：

Δt＝t(k)-t(k-1)

Δp＝p(t(k))-p((k-1))

然后根据如下公式计算结壳的温差Tjc：

${\mathrm{\&Delta;T}}_{jc}\left(i\right)={\mathrm{\&Delta;T}}_{jc}(i-1)*e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)}+p\left(t\right(k\left)\right)*{\mathrm{Rth}}_i*(1-e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)})+\mathrm{\&Delta;}p/\mathrm{\&Delta;}t*{\mathrm{Rth}}_i*(\mathrm{\&Delta;}t-{\mathrm{Tau}}_i(1-e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)}\left)\right)$

T_jc(i)＝T_jc(i-1)+ΔT_jc(i)

上述结壳的温差Tjc计算过程中，i需要从1到4进行循环，其中，IGBT的瞬态热参数Rth_i、Tau_i存储于存储单元21中，如前所述，本实施例中，IGBT的热阻Rth₁、Rth₂、Rth₃、Rth₄和热时间常数Tau₁、Tau₂、Tau₃、Tau₄是通过采用解数值方程的方式提取的。

这样，即可得出了每一个p(t(k))下对应的结壳的温差Tjc，记下整个p(t)计算过程中的最大Tjc，记为Tjcmax，然后根据以下逻辑对Pmax进行调整：如果，Tjcmax-(Tjmax-Tc)>0.01*(Tjmax-Tc)，则Pmax＝0.99*Pmax，然后重复计算上述的整个过程；如果，(Tjmax-Tc)-Tjcmax>0.01*(Tjmax-Tc)，则Pmax＝1.01*Pmax，然后重复计算上述的整个过程；直到收敛，当收敛到一个Pmax时，整个过程中的p(t)和Tjc(t)也随之确定。

最后，根据公式Tj＝Tc+Tjc，可以得出结温Tj的瞬态值，从而可以绘制出损耗和结温的瞬态曲线。

同样的方法可以绘制出二极管的瞬态曲线(即损耗和结温的瞬态曲线)，在此不再赘述。

由上可知，通过后台处理单元20可自动进行结温的迭代过程，有利于获得准确的结温仿真结果。

上述是以SVPWM控制算法为例详细介绍瞬态曲线的绘制过程，但应理解的是，本发明并不局限于SVPWM控制算法，还可应用于采用其它控制算法的功率模块的损耗和结温的计算。

综上所述，本发明所述功率模块的损耗与结温仿真系统包括用户界面单元10和后台处理单元20。所述用户界面单元10用于与用户进行交互，并接收功率模块的电参数和热参数以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法。所述后台处理单元20用于根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元10显示。所述功率模块的损耗与结温仿真系统可方便快捷的实现了功率模块的损耗和结温计算，有利于获得精确地损耗和结温仿真结果。并且，所述功率模块的损耗与结温仿真系统提供了产品型号的扩展接口和控制算法扩展接口，适用于各种型号的功率模块和各种控制算法，并可实现图形界面的输入和输出，方便工程师在电路设计时仿真系统的热可靠性情况。此外，所述功率模块的损耗与结温仿真系统还可提供了功率模块的稳态曲线和瞬态曲线，非常直观的体现功率模块的热特性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (32)

1.一种功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，包括用户界面单元和后台处理单元，所述用户界面单元用于接收功率模块的电参数和热参数以及供用户选择功率模块的型号和功率模块使用的控制算法，所述后台处理单元用于根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温，并将所述功率模块的损耗和结温通过所述用户界面单元显示。

2.如权利要求1所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元根据输入的电参数以及所述功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗，根据所述功率模块的损耗以及输入的热参数计算所述功率模块的结温。

3.如权利要求1所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元包括存储单元以及计算单元，所述存储单元存储有每种型号的功率模块对应的稳态热阻以及功率模块使用的多种控制算法，所述计算单元根据所述功率模块的电参数和热参数、功率模块的型号以及功率模块使用的控制算法计算所述功率模块的损耗和结温。

4.如权利要求3所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块包括若干IGBT以及若干二极管，所述功率模块的损耗包括IGBT的导通损耗、IGBT的开关损耗、二极管的导通损耗以及二极管的开关损耗，所述功率模块的结温包括IGBT的结温和二极管的结温。

5.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元根据如下公式计算单个IGBT的导通损耗P_ss1：

其中，M为所述功率模块的调制比，cosφ为所述功率模块的功率因素，I_rms为所述功率模块的平均电流，V_ce0(Tj)为特定结温Tj下的IGBT阈值电压，R_ce(Tj)为特定结温Tj下的IGBT通态斜率电阻。

6.如权利要求5所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，

所述功率模块的调制比M、所述功率模块的功率因素cosφ和所述功率模块的平均电流I_rms是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元中存储有如下参数：常温下IGBT阈值电压V_ce0_25、高温下IGBT阈值电压V_ce0_125、常温下IGBT通态斜率电阻R_ce_25、高温下IGBT通态斜率电阻R_ce_125；

所述计算单元根据如下公式计算所述特定结温Tj下的IGBT阈值电压V_ce0(Tj)：V_ce0(Tj)＝V_ce0_25+((V_ce0_125-V_ce0_25)/100*(Tj-25))；

所述计算单元如下公式计算所述特定结温Tj下的IGBT通态斜率电阻R_ce(Tj)：R_ce(Tj)＝R_ce_25+((R_ce_125-R_ce_25)/100*(Tj-25))。

7.如权利要求6所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，通过提取功率模块的规格书中IGBT输出曲线的数据并对其进行线性化拟合获得所述常温下IGBT阈值电压V_ce0_25、高温下IGBT阈值电压V_ce0_125、常温下IGBT通态斜率电阻R_ce_25、高温下IGBT通态斜率电阻R_ce_125。

8.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元根据如下公式计算单个IGBT的开关损耗P_sw1：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Etol\left(Tj\right)*\frac{I_{rms}}{I_{cn}}*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Etol(Tj)为特定结温Tj下单个IGBT开通和关断一次的总损耗。

9.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，当I_rms/I_cn<1/10时，所述后台处理单元根据如下公式计算单个IGBT的开关损耗P_sw1：

$P_{sw1}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Etol\left(Tj\right)*{\left(\frac{I_{rms}}{I_{cn}}\right)}^k*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Etol(Tj)为特定结温Tj下单个IGBT开通和关断一次的总损耗，k为修正系数。

10.如权利要求8或9所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块的开关频率f_sw、功率模块的平均电流I_rms和功率模块的母线电压V_dc是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元中存储有如下参数：功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、门级电阻Rg、IGBT常温下开关损耗Etol_25和IGBT高温下开关损耗Etol_125；

所述计算单元根据如下公式计算特定结温Tj下单个IGBT开通和关断一次的总损耗Etol(Tj)：Etol(Tj)＝Etol_25+((Etol_125-Etol_25)/100*(Tj-25))。

11.如权利要求10所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，

对于门极电阻Rg固定的功率模块，通过测试固定的门极电阻Rg下的开关损耗得到所述IGBT常温下开关损耗Etol_25和IGBT高温下开关损耗Etol_125；

对于门极电阻Rg可变的功率模块，根据功率模块的规格书中的Etol-Rg曲线，选取25℃时Etol-Rg曲线中额定条件下的门极电阻Rg1_25和其对应的开关损耗Etol1_25以及最大的门极电阻Rg2_25和其对应的Etol2_25，选取125℃时Etol-Rg曲线中额定条件下的门极电阻Rg1_125和其对应的开关损耗Etol1_125以及最大的门极电阻Rg2_125和其对应的Etol2_125，并根据如下公式得到所述IGBT常温下开关损耗Etol_25和IGBT高温下开关损耗Etol_125：

Etol_25＝Etol1_25+(Etol2_25-Etol1_25)/(Rg2_25-Rg1_25)*(Rg-Rg1_25)；

Etol_125＝Etol1_125+(Etol2_125-Etol1_125)/(Rg2_125-Rg1_125)*(Rg-Rg1_125)。

12.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元根据如下公式计算所述二极管的导通损耗P_ss2：

其中，M为功率模块的调制比，cosφ为功率模块的功率因素，I_rms为功率模块的平均电流，V_d0(Tj)为特定结温Tj下的二极管阈值电压，R_d(Tj)为特定结温Tj下的二极管通态斜率电阻。

13.如权利要求12所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，

所述功率模块的调制比M、所述功率模块的功率因素cosφ和所述功率模块的平均电流I_rms是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元存储有如下参数：二极管常温下阈值电压V_d0_25、二极管高温下阈值电压V_d0_125、二极管常温下通态斜率电阻R_d_25、二极管高温下通态斜率电阻R_d_125；

所述计算单元根据如下公式计算所述特定结温Tj下的二极管阈值电压V_d0(Tj)：V_d0(Tj)＝V_d0_25+((V_d0_125-V_d0_25)/100*(Tj-25))

所述计算单元根据如下公式计算所述特定结温Tj下的二极管通态斜率电阻R_d(Tj)：R_d(Tj)＝R_d_25+((R_d_125-R_d_25)/100*(Tj-25))。

14.如权利要求13所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，通过提取功率模块的规格书中二极管正向曲线的数据并对其进行线性化拟合获得所述二极管常温下阈值电压V_d0_25、二极管高温下阈值电压V_d0_125、二极管常温下通态斜率电阻R_d_25、二极管高温下通态斜率电阻R_d_125。

15.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元根据如下公式计算二极管的开关损耗P_sw2：

$P_{sw2}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Eoff\left(Tj\right)*\frac{I_{rms}}{I_{cn}}*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Eoff(Tj)为特定结温Tj下单个二极管的关断损耗。

16.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，当I_rms/I_cn<1/10时，所述后台处理单元根据如下公式计算二极管的关断损耗P_sw2：

$P_{sw2}=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}*f_{sw}*Eoff\left(Tj\right)*{\left(\frac{I_{rms}}{I_{cn}}\right)}^k*\frac{V_{dc}}{V_{cn}}$

其中，f_sw为功率模块的开关频率，I_rms为功率模块的平均电流，I_cn为功率模块的额定电流，V_dc为功率模块的母线电压，V_cn为功率模块的额定电压，Eoff(Tj)为特定结温Tj下单个二极管的关断损耗，k为修正系数。

17.如权利要求15或16所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块的开关频率f_sw、功率模块的平均电流I_rms和功率模块的母线电压V_dc是通过所述用户界面单元接收的电参数；

所述存储单元中存储有如下参数：功率模块的额定电流I_cn、功率模块的额定电压V_cn、门级电阻Rg、二极管常温下关断损耗Eoff_25、二极管高温下关断损耗Eoff_125、

所述计算单元根据如下公式计算特定结温Tj下单个二极管的关断损耗Eoff(Tj)：Eoff(Tj)＝Eoff_25+((Eoff_125-Eoff_25)/100*(Tj-25))。

18.如权利要求3所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，根据如下公式计算所述IGBT的结温Tj1：

Tj1＝Tc+P1*Rjc；

其中，Tc为壳温，Rjc为IGBT的稳态热阻，P1为单个IGBT的损耗。

19.如权利要求18所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述单个IGBT的损耗为单个IGBT的导通损耗与单个IGBT的开关损耗之和。

20.如权利要求18所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述壳温Tc是通过所述用户界面单元接收的热参数，所述存储单元中存储有各种型号的功率模块对应的IGBT的稳态热阻Rjc。

21.如权利要求3所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，根据如下公式计算所述二极管的结温Tj2：

Tj2＝Tc+P2*Rjcd；

其中，Tc为壳温，Rjcd为二极管的稳态热阻，P2为单个二极管的损耗。

22.如权利要求21所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述单个二极管的损耗为单个二极管的导通损耗与单个二极管的关断损耗之和。

23.如权利要求22所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述壳温Tc是通过所述用户界面单元接收的热参数，所述存储单元中存储有各种型号的功率模块对应的二极管的稳态热阻Rjcd。

24.如权利要求4所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述后台处理单元还用于根据所述功率模块的损耗和结温绘制所述功率模块的稳态曲线和瞬态曲线。

25.如权利要求24所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块的稳态曲线包括IGBT的损耗与电流的关系曲线、IGBT的损耗与频率的关系曲线中、二极管的损耗与电流的关系曲线以及二极管的损耗与频率的关系曲线中的至少一种。

26.如权利要求25所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块的瞬态曲线包括一个输出频率周期内IGBT的损耗和结温的曲线以及一个输出频率周期内二极管的损耗和结温的曲线中的至少一种。

27.如权利要求26所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块采用SVPWM控制算法时，先对单个IGBT的损耗进行正弦离散化处理，再进行结温的迭代。

28.如权利要求27所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，对单个IGBT的损耗进行正弦离散化处理再进行结温的迭代的步骤包括：

将瞬态损耗p(t)表示为如下公式：

p(t)＝Pmax*sin(2π*t*T0)

其中，t为时间，T0为输出周期，T0＝1/f0，f0为输出频率，Pmax为最大损耗，并根据如下公式预估一最大损耗Pmax：

$P\max =\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}*\frac{Tj\max -Tc}{Rjc}*1.12*\left(1-e^{\left(-\frac{f0}{20}\right)}\right)$

预估出最大损耗Pmax后，对t在0至T0之间离散，以对瞬态损耗p(t)离散化，根据如下公式计算结壳的温差Tjc，所述结壳的温差Tjc为结温Tj与壳温T_c之差：

Δt＝t(k)-t(k-1)

Δp＝p(t(k))-p((k-1))

${\mathrm{\&Delta;T}}_{jc}\left(i\right)={\mathrm{\&Delta;T}}_{jc}(i-1)*e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)}+p\left(t\right(k\left)\right)*{\mathrm{Rth}}_i*(1-e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)})+\mathrm{\&Delta;}p/\mathrm{\&Delta;}t*{\mathrm{Rth}}_i*\left(\mathrm{\&Delta;}t-{\mathrm{Tau}}_i\left(1-e^{\left(\frac{-\mathrm{\&Delta;}t}{{\mathrm{Tau}}_i}\right)}\right)\right)$

T_jc(i)＝T_jc(i-1)+ΔT_jc(i)

其中，Rth_i为IGBT的热阻，Tau_i为IGBT的热时间常数；

上述结壳的温差Tjc计算过程中，i从1到4进行循环，这样得出每一个p(t(k))下对应的结壳的温差Tjc，记下整个p(t)计算过程中的最大Tjc，记为Tjcmax，然后根据以下方式对最大结温Pmax进行调整：

如果，Tjcmax-(Tjmax-Tc)>0.01*(Tjmax-Tc)，则Pmax＝0.99*Pmax，然后重复上述计算过程；如果，(Tjmax-Tc)-Tjcmax>0.01*(Tjmax-Tc)，则Pmax＝1.01*Pmax，然后重复上述计算过程；当收敛到一个Pmax时，整个计算过程中的p(t)和Tjc(t)也随之确定。

最后，根据公式Tj＝Tc+Tjc，得出结温Tj的瞬态值，从而绘制出一个输出频率周期内IGBT的损耗和结温的曲线。

29.如权利要求28所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述最大结温Tjmax、壳温Tc、输出频率f0是通过所述用户界面单元接收的热参数；所述存储单元存储有如下参数：IGBT的热阻Rth₁、Rth₂、Rth₃、Rth₄和IGBT的热时间常数Tau₁、Tau₂、Tau₃、Tau₄。

30.如权利要求29所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，通过提取功率模块的规格书中IGBT的瞬态热阻曲线的数据进而得出IGBT的热阻Rth₁、Rth₂、Rth₃、Rth₄和IGBT的热时间常数Tau₁、Tau₂、Tau₃、Tau₄。

31.如权利要求1所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块为全桥逆变器或半桥逆变器。

32.如权利要求31所述的功率模块的损耗与结温仿真系统，其特征在于，所述功率模块为三相全桥逆变器。