CN106712553B - 正弦逆变器igbt结温波动计算方法 - Google Patents

正弦逆变器igbt结温波动计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，其特征是，包括以下步骤：（1）结合正弦逆变器，根据正弦逆变器输出电流、母线电压计算出IGBT和FRD的导通损耗Pcond和开关损耗PSW，总损耗Ptotal=Psw+Pcond；（2）根据IGBT热阻测试结果，将热阻等效为局部网络热模型；（3）将损耗到局部网络热模型进行迭代，求出相应条件下的正弦逆变器的功率器件（IGBT）的最大结温和平均结温。本发明能够准确计算结层温度和结温波动，使得在开发的初始阶段，就能够根据所选取的功率器件知道相应的结温和结温波动。

Description

正弦逆变器IGBT结温波动计算方法
技术领域
本发明涉及一种正弦逆变器IGBT结温波动计算方法。
背景技术
在电力电子电路中IGBT和二极管作为开关工作，不断地转换各种静态和动态循环的状态。在这种情况下就会产生功耗或者能量成分的损失，它们构成了半导体元件的总损耗，并使功率半导体元件升温。通过适当功率半导体的设计以及增加冷却装置，就能使半导体换流器在它最高允许的结层温度内安全运行。但是功率器件的结层温度往往是难以通过实际测量得到，这给设计人员带来了极大的困惑。设计人员通过计算额定电流来设计相应的变换器，选择相应的功率器件，但是对于是否超过IGBT结温Tj(max)或者电流在交变的情况下，结温的波动幅值，我们往往难以知道。
在开发初始阶段，设计人员往往是通过如图1所示线性计算的方法来预估结层温度，但是对于真正的结层温度难以真实的还原，这给设计带来了很大的误区，也给设计的换流器带来了隐患。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，准确计算结层温度和结温波动，使得在开发的初始阶段，就能够根据所选取的功率器件知道相应的结温和结温波动。
按照本发明提供的技术方案，所述正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)结合正弦逆变器，根据正弦逆变器输出电流、母线电压计算出IGBT和FRD的导通损耗Pcond和开关损耗PSW，总损耗Ptotal＝Psw+Pcond；
(2)根据IGBT热阻测试结果，将热阻等效为局部网络热模型；
(3)将损耗到局部网络热模型进行迭代，求出相应条件下的正弦逆变器的功率器件(IGBT)的最大结温和平均结温。
进一步的，所述IGBT的导通损耗Pcond(T)和开关损耗PSW(T)如下：
其中，m为调制比，根据厂商提供的数据手册获得；为电压与电流的相角；VCE0(Tj)为IGBT的饱和压降，根据厂商提供的数据手册获得；I1为输出电流，即图2中的Iout；rCE为通态等效内阻；fSW为开关频率；Eon+off为开关损耗的能量；Iref为给定电流；Vcc为母线电压；Vref为给定电压；Kv为开关损耗电压关系的指数参数，一般为1.3～1.4；TCESW为开关损耗的温度系，一般为0.003；Tj为IGBT的设计结温；Tref为IGBT的希望结温；
FRD的导通损耗Pcond(D)和开关损耗PSW(D)如下：
其中，VF0(Tj)为二极管的饱和压降；rF为二极管的等效内阻；Err为反向恢复能量；K1为开关损耗电流关系的指数参，一般为0.6；TCErr为开关损耗的温度系数，一般为0.006；Tj为二极管的设计结温；Tref为二极管的希望结温。
进一步的，所述热阻抗Zth(x-y)如下表示：
；其中，Rthν为第ν时刻的热阻值；τhν为测量时刻。
进一步的，所述步骤(3)中进行迭代计算结温时，根据开关周次、等效的损耗、以及网络热模型迭代计算结温，Tj(k)＝Rth(js)·P(Tj(k＝n))+Ts其中Tj(k)为结到环境的热阻值，Ts为变量值，P(Tj(k＝n))为第n次开关周期的功耗。
进一步的，所述其中，Ta为环境温度，Rth(sa)为散热器到环境的热阻值，P(Tj(k＝n))为第n次开关周期的功耗。
本发明所述正弦逆变器IGBT结温波动计算方法能够准确计算结层温度和结温波动，使得在开发的初始阶段，就能够根据所选取的功率器件知道相应的结温和结温波动。
附图说明
图1为现有技术中采用线性计算方法预估结层温度的示意图。
图2为测试电路的示意图。
图3为工作波形图。
图4为局部网络热模型。
图5为功耗示意图。
图6为结温示意图。
图7为负荷温度的周期脉冲序列。
图8为本发明所述计算方法的整体框图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
本发明所述正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，包括以下步骤：
(1)结合正弦逆变器，根据正弦逆变器输出电流、母线电压计算出IGBT和FRD的导通损耗Pcond和开关损耗PSW，总损耗Ptotal＝Psw+Pcond；如图2、图3所示，对于正弦逆变器，载波与调制波比较后产生开关状态，功率器件IGBT产生损耗，设计IGBT的结温上升；
IGBT的导通损耗Pcond(T)和开关损耗PSW(T)如下：
其中，m为调制比，根据厂商提供的数据手册获得；为电压与电流的相角；VCE0(Tj)为IGBT的饱和压降，根据厂商提供的数据手册获得；I1为输出电流，即图2中的Iout；rCE为通态等效内阻；fSW为开关频率；Eon+off为开关损耗的能量；Iref为给定电流；Vcc为母线电压；Vref为给定电压；Kv为开关损耗电压关系的指数参数，一般为1.3～1.4；TCESW为开关损耗的温度系，一般为0.003；Tj为IGBT的设计结温；Tref为IGBT的希望结温；
FRD的导通损耗Pcond(D)和开关损耗PSW(D)如下：
其中，VF0(Tj)为二极管的饱和压降；rF为二极管的等效内阻；Err为反向恢复能量；K1为开关损耗电流关系的指数参，一般为0.6；TCErr为开关损耗的温度系数，一般为0.006；Tj为二极管的设计结温；Tref为二极管的希望结温。
(2)根据IGBT热阻测试结果，将热阻等效为局部网络热模型；
如图4所示，热等效电路可以使用电工参数代替热参数。功率损耗源Ptot(T/D)相当于一个对应的电流源，恒温用一个电压源来表示，而热阻抗Zth(x-y)是用RC网络表示。对带底板的功率模块，晶体管和二极管是焊接在一个共同的铜表面上，所以热耦合在一起。为简单起见，我们可以假设一个共同的外壳温度。对模块的热阻抗Zth(c-s)必须把模块内部所有部件的能耗罗列出来。IGBT能耗使散热基板发热，FRD也是这样。
对随时间变化的温度在Tj，Tc，Ts和Ta产生的温差，可以被看成是四级网络，每级间的热阻抗分别为Zth(j-c)、Zth(c-s)和Zth(s-a)。在这里使用了阶梯型的电路形式和元件材料的等效电路。在建设每一层至少有一个“梯级”。很多都是需要进行最后必要的调整，以便适应配合计算测量结果，这会丧失部分物理意义。对于连锁型等效电路，我们使用公式和时间常数的指数函数来确定。
则热阻抗Zth(x-y)如下表示：
；其中，Rthν为第ν时刻的热阻值；τhν为测量时刻。
(3)迭代计算结温：根据开关周次，等效的损耗，以及网络热模型，迭代计算结温，最后将计算结果赋给数组，生成图标以及结温波动计算。
结层温度在m(其中m＝fsw/fo)功耗脉冲串的作用下，在时间t1发生温度变化，计算如同单一脉冲。结层温度在t2时刻的计算为：
其中，ΔTj(t2)为t2时刻的结到散热器的温差值；
在tm时刻的值为：
其中，ΔTj(tm)为tm时刻的结到散热器的温差值；
为了计算周期反复的功耗脉冲的最高结层温度，可以使用数据文件给出的晶体管和二极管在周期脉冲工作中的Zth(j-c)曲线。
如图7所示，平均结层温度Tj(av)是静态热阻Rth同平均总功耗平均值Pav的乘积。这个平均值我们可以通过每个脉冲的能耗除以周期T得到。最高结层温度是在功耗脉冲P(tp)结束的时刻，则结到散热器的温差值为：
对于脉冲持续时间在毫秒数量级时，温度已经出现明显的变化。当脉冲从几百毫秒开始，就会在芯片和外壳之间产生一个稳定的温差。从而便可以计算出结温波动和最大结温。
正弦逆变器处于开关状态，每开关一次，产生一定的损耗，并且累计一定的热，如图8所示，假定有10次开关周期，从而迭代10次后，便可计算出此种情况下的最高的结温。第一次开关周期的结温(即k＝1时)Tj(k)＝Rth(js)·P(Tj(k1))+Ts其中Tj(k)为结到环境的热阻值，Ts为变量值，其中，Ta为环境温度，Rth(sa)为散热器到环境的热阻值。
对于功率变换器来讲，在设计阶段如果能够预先知道结温，便可以估算出相应的散热器，以及在工作的适合电流，这对于功率器件选型至关重要。综上可知本发明带来的优点有两处：
1、在设计阶段能够预知结温，使得功率器件工作在合理的区间，从而提高系统稳定性和系统寿命。
2、功率变换器工作在不同的负载情况下，或者在负载突变的情况下，能够事先知道功率器件(IGBT)所承受的温度应力。

Claims (4)

1.一种正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)结合正弦逆变器，根据正弦逆变器输出电流、母线电压计算出IGBT和FRD的导通损耗Pcond和开关损耗PSW，总损耗Ptotal＝Psw+Pcond；
(2)根据IGBT热阻测试结果，将热阻等效为局部网络热模型；
(3)根据等效的损耗及局部网络热模型，迭代计算结温，求出相应条件下的正弦逆变器的功率器件(IGBT)的最大结温和平均结温；
所述IGBT的导通损耗Pcond(T)和开关损耗PSW(T)如下：
其中，m为调制比，根据厂商提供的数据手册获得；为电压与电流的相角；VCE0(Tj)为IGBT的饱和压降，根据厂商提供的数据手册获得；I1为输出电流，即图2中的Iout；rCE为通态等效内阻；fSW为开关频率；Eon+off为开关损耗的能量；Iref为给定电流；Vcc为母线电压；Vref为给定电压；Kv为开关损耗电压关系的指数参数，一般为1.3～1.4；TCESW为开关损耗的温度系，一般为0.003；Tj为IGBT的设计结温；Tref为IGBT的希望结温；
FRD的导通损耗Pcond(D)和开关损耗PSW(D)如下：
其中，VF0(Tj)为二极管的饱和压降；rF为二极管的等效内阻；Err为反向恢复能量；K1为开关损耗电流关系的指数参数，一般为0.6；TCErr为开关损耗的温度系数，一般为0.006；Tj为二极管的设计结温；Tref为二极管的希望结温。
2.如权利要求1所述的正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，其特征是：所述热阻抗Zth(x-y)如下表示：
；
其中，Rthν为第ν时刻的热阻值；τhν为测量时刻。
3.如权利要求1所述的正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，其特征是：所述步骤(3)中进行迭代计算结温时，根据开关周次、等效的损耗、以及网络热模型迭代计算结温，Tj(k)＝Rth(js)·P(Tj(k＝n))+Ts，其中Rth(js)为结到环境的热阻值，Ts为变量值，P(Tj(k＝n))为第n次开关周期的功耗。
4.如权利要求3所述的正弦逆变器IGBT结温波动计算方法，其特征是：所述其中，Ta为环境温度，Rth(sa)为散热器到环境的热阻值，Px(Tj(k＝n))为第n次开关周期的功耗。
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