CN105718694A - 基于igbt结温信息的热网络参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于I GBT结温信息的热网络参数辨识方法，包括根据I GBT模块和散热器的性能参数，建立等效热网络模型；通过所述等效热网络模型，改变热网络中任意一组可测的热阻和热容，建立两组不同的I GBT热网络参数约束方程；分别测量等效零输入状态下的热阻和热容改变前后的两条降温曲线；将所述降温曲线进行拟合，获取对应的两组时间常数，并根据所述可测的热阻和热容利用I GBT热网络参数约束方程获取I GBT的热网络参数；本发明可以运用于电力变换装置工作期间正常的切机等等效零输入状态中，无需拆卸I GBT模块，即能够准确、有效、简单的实现I GBT的热网络参数辨识，进而对I GBT老化状态进行监测和寿命预估，保证了电力变换装置的安全运行，降低了运维成本。

Description

基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，IGBT因其具有驱动模块简单、功率等级高、功耗小等优点而被广泛应用于变流器等各类电力变换装置，但其应用的场合大都条件严苛，同时又需要IGBT具有较高的可靠性。研究表明，IGBT模块在工作中反复的开通和关断时，所产生的导通损耗以及开关损耗将导致其内部芯片的温度升高，而模块内不同的材料层由于其热学性质的差别将承受不同的热应力。在外部功率的循环冲击下，其各层材料也承受着反复的热应力冲击，这将导致IGBT模块老化、失效，使得电力变换装置发生故障，造成难以预料的损失，而目前为避免这种情况所采取的定期维护和维修也并非一种经济的方法，因此，有必要对IGBT的老化状态进行监测，同时对其剩余寿命进行预测，以便于对其进行维护甚至更换。

IGBT模块的热网络参数可用于器件的状态监测和寿命预测。例如当IGBT模块的结-壳总热阻增大20％时，可认为器件已失效。研究表明在对IGBT模块剩余寿命的评估中，主要影响因素是结温波动，热网络参数和损耗直接决定了结温，但随着IGBT的老化，热网络参数也将发生变化，计及器件老化对热网络参数的影响将显著提高器件寿命预测的准确性。因此，对IGBT热网络参数的辨识对于提高电力变换装置可靠性、减少器件维护、维修成本等具有重大意义，现有的热网络参数辨识方法主要分成三类：

一、通过测量IGBT模块的损耗P(t)和结温Tj(t)、壳温Tc(t)得到时域的热响应曲线，再对其进行拟合及相应的转换，进而得到Cauer型热网络参数。类似方法有多种形式，包括PRBS和TRAIT等，其本质都是根据网络的端口阻抗响应辨识参数；该方法由于是对IGBT模块施加恒定损耗，而在实际的电力变换装置中损耗因其受到多种因素影响而难以准确测量，且损耗模型难以精确建立，故其实现存在一定的难度。

二、根据IGBT模块内部各层材料的物理参数和尺寸，通过直接计算或者进行有限元(FEA)仿真从而得到热网络参数；该方法根据其内部各层材料的初始热学参数进行计算，并没有计及实际工作中IGBT各层材料会产生疲劳效应而使得热学参数改变，故其辨识的准确性难以保证，故不能适用于处于老化进程中的IGBT模块。

三、根据JESD标准测量得到IGBT功率器件的累积结构函数，然后按照同种材料传热性质相同的原理对累积结构函数进行分层最后得到Cauer型热网络参数；该方法不仅需要在IGBT模块上施加恒定的损耗，而且结构函数法涉及了复杂的数学变换，并对测量条件要求十分苛刻，故其实现也存在一定的难度。

因此，亟需一种更加准确、有效、简单的IGBT热网络参数辨识方法，能够应用于实际工作中的电力变换装置，保证其安全运行。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法。

本发明提供的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，包括

根据IGBT模块和散热器的性能参数，建立等效热网络模型；

通过改变等效热网络模型中任意一组可测的等效热网络模型参数，建立IGBT热网络参数约束方程；

分别测量等效零输入状态下的等效热网络模型参数改变前后的降温曲线；

将所述降温曲线进行拟合，获取对应的时间常数，并根据所述可测的热阻和热容利用IGBT热网络参数约束方程获取IGBT模块的热网络参数。

进一步，所述等效热网络模型参数包括热阻和热容，通过改变热等效网络模型中任意一组可测的热阻和热容，建立两组不同的IGBT热网络参数约束方程。

进一步，根据等效热网络模型获取实际结温与环境温度之差Tvj的零输入响应的时间常数τ与热网络中热阻和热容之间的关系，并通过改变等效热网络模型中任意一组可测的热阻和热容数值，建立两组不同的IGBT热网络参数的约束方程。

进一步，控制IGBT模块在不同的温度下导通时通过标准电流I_M，测量其在对应温度下的饱和压降Vce，获取Vce-Tj曲线，通过对所述Vce-Tj曲线进行拟合，获取结温与饱和压降的对应关系；

在等效零输入状态下测量降温时的饱和压降Vce，根据所述结温与饱和压降的对应关系,获取Tvj的降温曲线；

改变等效热网络模型参数后,再次测量结温的降温曲线。

进一步，所述性能参数包括IGBT模块内部各层材料参数和散热器的热学性质参数。

进一步，根据所述性能参数，通过将IGBT模块和散热器中热学性质相似的材料划分为同一层，分别对IGBT模块和散热器热网络进行简化和区分。

进一步，通过对等效热网络模型参数改变前后的降温曲线进行函数拟合，按照其零输入响应的形式，获取对应的时间常数；将所述可测的热阻和热容数值以及其改变前后对应的时间常数，代入IGBT热网络参数的约束方程获取IGBT模块的热网络参数。

本发明的有益效果：本发明通过建立等效的热网络模型，获取实际结温与环境温度之差的零输入响应的时间常数与热网络中热阻、热容之间的关系，获取IGBT的热网络参数；本发明可以运用于电力变换装置工作期间正常的切机等等效零输入状态中，无需拆卸IGBT模块，即能够准确、有效、简单的实现IGBT的热网络参数辨识，进而对IGBT老化状态进行监测和寿命预估，保证了电力变换装置的安全运行，降低了运维成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明简化后的IGBT模块和散热器的Cauer型热网络。

图2是本发明等效零输入状态下的IGBT模块和散热器的Cauer型热网络。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明简化后的IGBT模块和散热器的Cauer型热网络，图2是本发明等效零输入状态下的IGBT模块和散热器的Cauer型热网络。

如图1所示，本实施例中的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：包括

a.根据IGBT模块和散热器的性能参数，建立等效热网络模型；

b.通过改变等效热网络模型中任意一组可测的等效热网络模型参数，建立IGBT热网络参数约束方程；

c.分别测量等效零输入状态下的等效热网络模型参数改变前后的降温曲线；

d.将所述降温曲线进行拟合，获取对应的时间常数，并根据所述可测的热阻和热容利用IGBT热网络参数约束方程获取IGBT模块的热网络参数。

在本实施例中，热网络参数辨识方法主要包括IGBT热网络的建立、IGBT热网络参数约束方程的推导、IGBT结温信息的获取和IGBT热网络参数的求取，本发明可以运用于电力变换装置工作期间正常的切机等等效零输入状态中，无需拆卸IGBT模块，即能够准确、有效、简单的实现IGBT的热网络参数辨识，进而对IGBT老化状态进行监测和寿命预估，以保证电力变换装置的安全运行并降低其运维成本。

如图1所示，本实施例中，步骤a中IGBT热网络的建立是指根据IGBT模块内部各层材料热学性质的异同，将一些相邻的物理尺寸和热学参数接近的材料层合并简化为同一层，本实施例通过对IGBT的累积结构函数分析，将IGBT模块内部各层材料合并、简化为3层，即焊料层、绝缘层、基板层，并建立了与之对应的3阶Cauer型热网络，同时用1阶RC网络近似表示散热器的散热性能，在实际的应用过程中，具体建立的网络可以根据实际需要进行确定，根据不同的实际情况热网络的阶数也相应的不同，本实施例中的3阶热网络是通过对模块内部不同热学性质的材料进行区别和简化得到的，根据实际需要也可以建立更加精确的高阶热网络比如4阶，5阶等等，也可以只需要一个模块内部的总热阻，近似建立1阶热网络。散热器也可以根据需要将其建立成2阶的热网络。不同的网络建立约束方程的共同依据受应用环境的影响，将热学性质相似的材料近似划分为同一层。

在本实施例中，步骤b具体包括：根据等效热网络模型获取实际结温与环境温度之差Tvj的零输入响应的时间常数τ与热网络中热阻R、热容C之间的关系，并通过改变热网络中任意一组可测的热阻R’、热容C’，建立两组不同的IGBT热网络参数的约束方程。IGBT热网络参数约束方程的推导是基于电力变换装置在例如切机等损耗为0的等效零输入状态下推导的，此时等效的热网络模型如图2所示，根据电热比拟的方法，推出本实施例中的结温零输入响应时间常数与热阻、热容的约束方程可由下式表示，其中一组为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\τ}}_3{\mathrm{\τ}}_4}\\ \frac{C_1(R_1+R_2+R_3+R_4)+C_2(R_2+R_3+R_4)+C_3(R_3+R_4)+C_4{R}_4}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\τ}}_3}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\τ}}_4}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_3{\mathrm{\τ}}_4}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\τ}}_3{\mathrm{\τ}}_4}\\ \frac{C_1{C}_2{R}_1(R_2+R_3+R_4)+C_1{C}_3(R_1+R_2)(R_3+R_4)+C_1{C}_4(R_1+R_2+R_3)R_4+C_2{C}_3{R}_2(R_3+R_4)+C_2{C}_4(R_2+R_3)R_4+C_3{C}_4{R}_3{R}_4}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_3}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_4}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\τ}}_3}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2{\mathrm{\τ}}_4}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3{\mathrm{\τ}}_4}\\ \frac{C_1{C}_2{C}_3{R}_1{R}_2(R_3+R_4)+C_1{C}_2{C}_4{R}_1(R_2+R_3)R_4+C_1{C}_3{C}_4(R_1+R_2)R_3{R}_4+C_2{C}_3{C}_3{R}_2{R}_3{R}_4}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}\end{array}\right.$

其中，R1、R2、R3为IGBT热网络的热阻，C1、C2、C3为IGBT热网络的热容，R4、C4分别为散热器热阻、热容，τ1-τ4为实际结温Tj与环境温度Ta之差Tvj的零输入响应的时间常数；

另一组为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4^{\′}{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4^{\′}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_2^{\′}{\mathrm{\τ}}_3^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}\\ \frac{C_1(R_1+R_2+R_3+R_4^{\′})+C_2(R_2+R_3+R_4^{\′})+C_3(R_3+R_4^{\′})+C_4^{\′}{R}_4^{\′}}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4^{\′}{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4^{\′}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_2^{\′}{\mathrm{\τ}}_3^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_2^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_3^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2^{\′}{\mathrm{\τ}}_3^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}\\ \frac{C_1{C}_2{R}_1(R_2+R_3+R_4^{\′})+C_1{C}_3(R_1+R_2)(R_3+R_4^{\′})+C_1{C}_4^{\′}(R_1+R_2+R_3)R_4^{\′}+C_2{C}_3{R}_2(R_3+R_4^{\′})+C_2{C}_4^{\′}(R_2+R_3)R_4^{\′}+C_3{C}_4^{\′}{R}_3{R}_4^{\′}}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4^{\′}{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4^{\′}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_2^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_3^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2^{\′}{\mathrm{\τ}}_3^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3^{\′}{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}\\ \frac{C_1{C}_2{C}_3{R}_1{R}_2(R_3+R_4^{\′})+C_1{C}_2{C}_4^{\′}{R}_1(R_2+R_3)R_4^{\′}+C_1{C}_3{C}_4^{\′}(R_1+R_2)R_3{R}_4^{\′}+C_2{C}_3{C}_4^{\′}{R}_2{R}_3{R}_4^{\′}}{C_1{C}_2{C}_3{C}_4^{\′}{R}_1{R}_2{R}_3{R}_4^{\′}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_4^{\′}}\end{array}\right.$

其中，τ’1-τ’4为改变热阻R’和热容C’后的Tvj的零输入响应的时间常数。本实施例中通过改变散热工况将可测的R4、C4变为R’4、C’4，也可以根据实际工作中的具体需要，通过改变其他可测的等效热网络模型参数来实现。

在本实施例中，所述步骤c具体包括：

c1.在不同的温度下给IGBT导通时通过标准电流I_M，测量其在不同温度下的饱和压降Vce，获取Vce-Tj曲线，对所述Vce-Tj曲线进行拟合，获取结温和饱和压降的对应关系；

c2.在等效零输入状态下测量降温时的饱和压降Vce，根据所述结温和饱和压降的对应关系,获取Tvj的降温曲线；

c3.将热阻R4、热容C4改变为热阻R’4、热容C’4后,再次测量结温的降温曲线。

在本实施例中，IGBT结温信息的获取包括Vce-Tj曲线的测量以及结温降温曲线的测量。在恒温箱中，在不同的温度下给IGBT导通时通过一标准小电流I_M，测量其不同温度下的饱和压降Vce，可得到Vce-Tj曲线，对曲线进行拟合，则可定量的得到结温和饱和压降的对应关系。然后在等效零输入状态下测量降温时的饱和压降Vce，根据Vce-Tj曲线的对应关系即可以得到Tvj的降温曲线。再改变R4、C4为R’4、C’4，即等效改变散热器热网络参数后再次测量结温的降温曲线。

在本实施例中，所述步骤d具体包括：

d1.通过对步骤c中的两条曲线进行函数拟合，按照其零输入响应的形式，获取时间常数；

d2.根据热阻R’4、热容C’4和其改变前后的时间常数，通过IGBT热网络参数的约束方程获取IGBT的热网络参数。

对降温曲线的拟合，并对约束方程进行求解，其过程为：在获得结温的降温曲线后，通过对两条曲线进行自定义函数拟合，按照其零输入响应的形式，每一条曲线可获得4个时间常数，将R4、C4或R’4、C’4和热网络参数改变前后的时间常数代入前述约束方程中，即可得到IGBT的热网络参数。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：包括

根据IGBT模块和散热器的性能参数，建立等效热网络模型；

通过改变等效热网络模型中任意一组可测的等效热网络模型参数，建立IGBT热网络参数约束方程；

分别测量等效零输入状态下的等效热网络模型参数改变前后的降温曲线；

将所述降温曲线进行拟合，获取对应的时间常数，并根据所述可测的热阻和热容利用IGBT热网络参数约束方程获取IGBT模块的热网络参数。

2.根据权利要求1所述的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：所述等效热网络模型参数包括热阻和热容，通过改变热等效网络模型中任意一组可测的热阻和热容，建立两组不同的IGBT热网络参数约束方程。

3.根据权利要求2所述的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：根据等效热网络模型获取实际结温与环境温度之差Tvj的零输入响应的时间常数τ与热网络中热阻和热容之间的关系，并通过改变等效热网络模型中任意一组可测的热阻和热容数值，建立两组不同的IGBT热网络参数的约束方程。

4.根据权利要求3所述的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：控制IGBT模块在不同的温度下导通时通过标准电流I_M，测量其在对应温度下的饱和压降Vce，获取Vce-Tj曲线，通过对所述Vce-Tj曲线进行拟合，获取结温与饱和压降的对应关系；

在等效零输入状态下测量降温时的饱和压降Vce，根据所述结温与饱和压降的对应关系,获取Tvj的降温曲线；

改变等效热网络模型参数后,再次测量结温的降温曲线。

5.根据权利要求1所述的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：所述性能参数包括IGBT模块内部各层材料参数和散热器的热学性质参数。

6.根据权利要求5所述的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：根据所述性能参数，通过将IGBT模块和散热器中热学性质相似的材料划分为同一层，分别对IGBT模块和散热器热网络进行简化和区分。

7.根据权利要求4所述的基于IGBT结温信息的热网络参数辨识方法，其特征在于：通过对等效热网络模型参数改变前后的降温曲线进行函数拟合，按照其零输入响应的形式，获取对应的时间常数；将所述可测的热阻和热容数值以及其改变前后对应的时间常数，代入IGBT热网络参数的约束方程获取IGBT模块的热网络参数。