CN106740260A - 一种绝缘栅极双极型晶体管igbt的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置，该绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法包括：获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置，通过对IGBT的上桥臂和下桥臂的寿命消耗指数进行比较，选择用于主动短路的桥臂，通过控制上桥臂和三相下桥臂的交替工作，实现延长电机控制器寿命的目的。并且，本发明实施例的方法不涉及电机及电机控制器中的硬件变更，具有普遍适用性，且成本较低。

Description

一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置。

背景技术

面对日趋严峻的能源与环境问题，节能与新能源汽车正成为研究的热点，大力发展节能与新能源汽车对于实现全球可持续发展、保护人类赖以生存的地球环境具有重要意义。在我国，发展节能与新能源汽车，尤其是具有零污染、零排放的纯电动汽车，不仅对我国能源安全、环境保护具有重大意义，同时也是我国汽车领域今后发展的趋势。

当前，功能安全思想在汽车设计领域中盛行，它是全部安全的一部分。对于纯电动汽车而言，当安全系统满足以下条件时就认为是功能安全的，即当任一随机故障、系统故障或失效都不会导致安全系统的故障，以及由此引起的人员伤害、车辆损坏、环境的破坏等，即控制系统的安全功能无论在正常情况或者有故障存在的情况下都应该保证正确实施。

就纯电动汽车驱动系统而言，根据功能安全思想，当其发生故障并影响行车安全后，需要制定合理控制策略使车辆进入到安全状态，以保证车辆及车上人员的安全。对于纯电动汽车，驱动系统主动短路便是一种重要的安全状态，如当电机发生严重超速、驱动系统严重过温以及扭矩失控等危害行车安全的故障后都需要通过执行主动短路操作进入到安全状态。主动短路可以通过控制电机控制器中的绝缘栅极双极型晶体管IGBT关断实现，如通过将三相IGBT的上桥臂全部关断、下桥臂全部导通或将三相IGBT的下桥臂全部关断、上桥臂全部导通均可以达到主动短路功能。考虑到任何电子器件的使用寿命都是有限的，IGBT也不例外，故而需要给出一有效可靠的控制方法，以延长电机控制器的使用寿命。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是提供一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置，用以实现通过交替使用IGBT的上桥臂或下桥臂实现安全状态，以延长电机控制器的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，包括：

获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。

进一步的，所述控制方法还包括：

计算主动短路的桥臂的寿命消耗指数；

在车辆下电前，根据计算获得的主动短路的桥臂的寿命消耗指数，更新所述主动短路的桥臂的寿命消耗指数。

进一步的，根据公式

计算获得主动短路的桥臂的寿命消耗指数，其中，E_IGBT表示寿命消耗指数，t表示在一个整车循环内执行主动短路操作的时间，K(t)表示加速系数，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得。

进一步的，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得的步骤包括：

获得所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作电流和主动短路的桥臂的温度；

根据所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，通过第一径向基函数神经网络实时计算获得加速系数。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络包括输入层、隐层和输出层，其中，输入层包括所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，所述隐层包括神经元数量，所述输出层的输出量为加速系数。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络的表达式为：

其中，y(x,w)表示第一径向基函数神经网络的输出的加速系数，x表示输入矢量，x＝[Temp Cur]^T，Temp表示主动短路的桥臂的温度，Cur表示工作电流，w_i表示权重，l表示神经元数量，c_i表示中心矢量，||x-c_i||表示输入向量到中心矢量的距离，φ表示第一径向基函数。

进一步的，所述φ表示的第一径向基函数具体为高斯径向基函数。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得的步骤包括：

获取大量绝缘栅极双极型晶体管IGBT的实验数据组，根据实验数据组获得绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作温度、工作电流和实验加速系数的对应关系，表示为[Temp CurK]；

将所述对应关系作为基础对第二径向基函数神经网络进行训练，获得第一径向基函数神经网络。

进一步的，所述实验加速系数根据公式

获得，其中，Y_normal表示绝缘栅极双极型晶体管IGBT在理想工作状态下的使用寿命，Y_Test表示根据实验获得的绝缘栅极双极型晶体管IGBT在不同工作电流与温度条件下的预期使用寿命。

本发明实施例还提供了一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制装置，包括：

获取模块，用于获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

确定模块，用于根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置，至少具有以下有益效果：本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置，通过对IGBT的上桥臂和下桥臂的寿命消耗指数进行比较，选择用于主动短路的桥臂，通过控制上桥臂和三相下桥臂的交替工作，实现延长电机控制器寿命的目的。并且，本发明实施例的方法不涉及电机及电机控制器中的硬件变更，具有普遍适用性，且成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法的流程图之一；

图2为本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法的流程图之二；

图3为本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法的流程图之三；

图4为本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法的流程图之四；

图5为本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

第一实施例

参见图1，本发明实施例提供了一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，包括：

步骤101，获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

步骤102，根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。

在本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法中，基于对IGBT使用寿命的考虑，在电机控制器执行主动短路操作时不是简单的通过固定一侧的桥臂实现，而是基于U、V、W三相上桥臂与下桥臂的寿命消耗指数确定执行主动短路的桥臂，通过寿命消耗指数的比较使IGBT上桥臂与下桥臂交替工作以分担负荷，实现延长电机控制器寿命的目的。

第二实施例

参见图2，本实施例提供的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法包括：

步骤201，获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

步骤202，根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。

步骤203，计算主动短路的桥臂的寿命消耗指数；

步骤204，在车辆下电前，根据计算获得的主动短路的桥臂的寿命消耗指数，更新所述主动短路的桥臂的寿命消耗指数。

相比于第一实施例，本实施例的控制方法中增加了对进行主动短路的桥臂的寿命消耗指数的计算，并储存最终的计算结果，以便用于下次主动短路时的对比。对于主动短路的桥臂的寿命消耗指数的计算本发明提供以下实施例用于参考，在主动短路的桥臂的短路过程中，计算该桥臂的所消耗的寿命指数，通过短路前的寿命消耗指数和短路中消耗的寿命消耗指数，获得短路结束后的最终的寿命消耗指数。

第三实施例

第一实施例和第二实施例的控制方法基于寿命消耗指数，故而寿命消耗指数的计算十分重要，为获得精准的寿命消耗指数，本实施例将给出一计算寿命消耗指数的优选实施例。

根据公式

计算获得主动短路的桥臂的寿命消耗指数，其中，E_IGBT表示寿命消耗指数，t表示在一个整车循环内执行主动短路操作的时间，K(t)表示加速系数，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得。

在本实施例中，寿命消耗指数通过对时间的加速积分获得，其中加速系数由径向基函数RBF神经网络计算得到(RBF神经网络根据IGBT的工作状态判断是否会加速IGBT寿命的消耗，并用加速系数表示)。该加速系数通过RBF神经网络计算得到，它不是固定的，会根据IGBT状态的变化而实时变动，在实际应用中通过RBF神经网络实时计算加速系数的值。

第四实施例

参见图3，对于第三实施例中，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得的步骤包括：

步骤301，获得所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作电流和主动短路的桥臂的温度；

步骤302，根据所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，通过第一径向基函数神经网络实时计算获得加速系数。

在本实施例中，因IGBT的使用寿命和其自身的温度与通过电流密切相关，但温度、电流同IGBT工作寿命之间呈复杂的非线性关系，它们之间无法通过一般方式精确描述，神经网络方法具有非线性的基本特性，对于解决非线性问题具有天然的优势，而RBF神经网络作为一种性能优良的前馈型神经网络，可以任意精度逼近任意的非线性函数，且拓扑结构紧凑、具有全局逼近能力，同时解决了BP网络的局部最优问题，为此设计RBF神经网络计算IGBT寿命消耗指数。该RBF神经网络根据主动短路安全状态下短路一侧桥臂的温度、工作电流计算得到加速系数K。

第五实施例

在本实施例中，所述第一径向基函数神经网络包括输入层、隐层和输出层，其中，输入层包括所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，所述隐层包括神经元数量，所述输出层的输出量为加速系数。其中，输入量为2，隐层的神经元数量为3。

第六实施例

相比于第四实施例，本实施例给出一更为具体的RBF神经网络表达，所述第一径向基函数神经网络的表达式为：

其中，y(x,w)表示第一径向基函数神经网络的输出的加速系数，x表示输入矢量，x＝[Temp Cur]^T，Temp表示主动短路的桥臂的温度，Cur表示工作电流，w_i表示权重，l表示神经元数量，c_i表示中心矢量，||x-c_i||表示输入向量到中心矢量的距离，φ表示第一径向基函数。

进一步的，所述φ表示的第一径向基函数具体为高斯径向基函数。

第七实施例

进一步的，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得。

神经网络设计完成后对其进行训练。对上述RBF神经网络进行训练的前提是获得大量的IGBT试验数据，即工作温度、电流与工作寿命的关系，考虑到IGBT的使用寿命是以年为单位，以上数据很难通过一般测试获取，因此可以通过IGBT生产厂家的试验数据完成训练。

第八实施例

参见图4，对于第七实施例中，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得的步骤包括：

步骤401，获取大量绝缘栅极双极型晶体管IGBT的实验数据组，根据实验数据组获得绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作温度、工作电流和实验加速系数的对应关系，表示为[Temp Cur K]；

步骤402，将所述对应关系作为基础对第二径向基函数神经网络进行训练，获得第一径向基函数神经网络。

在本实施例中，可以根据厂家提供的试验结果可以得到大量的对应关系，即[TempCur K]数据组，将其作为基础数据对初步设计处的第二径向基函数神经网络进行训练，训练完成后的第一径向基函数神经网络在主动短路控制中直接应用，用于计算短路桥臂IGBT的寿命消耗指数。

第九实施例

对于第八实施例中的，所述实验加速系数根据公式

获得，其中，Y_normal表示绝缘栅极双极型晶体管IGBT在理想工作状态下的使用寿命，Y_Test表示根据实验获得的绝缘栅极双极型晶体管IGBT在不同工作电流与温度条件下的预期使用寿命。

在本实施例中，通过得到其预期使用寿命Y_normal(IGBT在理想工作状态下的使用寿命)，通过厂家试验数据得到IGBT不同工作电流与温度条件下的预期使用寿命Y_Test，在此基础上根据公式获得实验加速系数K₁。

第十实施例

参见图5，本发明实施例还提供了一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制装置，包括：

获取模块1，用于获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

确定模块2，用于根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。

进一步的，所述控制装置还包括：

计算模块，用于计算主动短路的桥臂的寿命消耗指数；

更新模块，用于在车辆下电前，根据计算获得的主动短路的桥臂的寿命消耗指数，更新所述主动短路的桥臂的寿命消耗指数。

在本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制装置中，针对IGBT中U、V、W三相上桥臂与三相下桥臂分别设立工作时间计数器，用于记录主动短路时上桥臂与下桥臂的总工作时间即所消耗的工作寿命，在此基础上结合IGBT生产厂商的测试数据，采用RBF神经网络计算加速系数，利用对该加速系数进行时间积分估算得到单次主动短路过程中三相上桥臂或下桥臂的寿命消耗。

车辆上电后从E²PROM中读取IGBT上、下桥臂寿命消耗指数，并选取寿命消耗指数小的桥臂作为本次整车循环的主动短路桥臂，本发明将主动短路桥臂的更换周期定为一个整车循环，即车辆上电后确定主动短路桥臂完成后，则在整车下电前均通过该桥臂进行主动短路。读取完E²PROM后，接下来判断驱动系统是否进入到主动短路安全状态，若进入该安全状态则导通事先确定的一侧桥臂(关断另一侧)，同时计算该侧桥臂的寿命消耗指数，最后，在车辆下电前，将本次整车循环主动短路桥臂的E_IGBT与存储在E²PROM的值相加，更新后重新存储在E²PROM中，为下次整车循环执行相应的逻辑控制做好准备。

进一步的，所述计算模块根据公式

计算获得主动短路的桥臂的寿命消耗指数，其中，E_IGBT表示寿命消耗指数，t表示在一个整车循环内执行主动短路操作的时间，K(t)表示加速系数，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得。

进一步的，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得中，所述计算模块包括：

第一获取模块，用于获得所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作电流和主动短路的桥臂的温度；

第一计算模块，用于根据所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，通过第一径向基函数神经网络实时计算获得加速系数。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络包括输入层、隐层和输出层，其中，输入层包括所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，所述隐层包括神经元数量，所述输出层的输出量为加速系数。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络的表达式为：

其中，y(x,w)表示第一径向基函数神经网络的输出的加速系数，x表示输入矢量，x＝[Temp Cur]^T，Temp表示主动短路的桥臂的温度，Cur表示工作电流，w_i表示权重，l表示神经元数量，c_i表示中心矢量，||x-c_i||表示输入向量到中心矢量的距离，φ表示第一径向基函数。

进一步的，所述φ表示的第一径向基函数具体为高斯径向基函数。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得。

进一步的，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得的步骤包括：

获取大量绝缘栅极双极型晶体管IGBT的实验数据组，根据实验数据组获得绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作温度、工作电流和实验加速系数的对应关系，表示为[Temp CurK]；

将所述对应关系作为基础对第二径向基函数神经网络进行训练，获得第一径向基函数神经网络。

进一步的，所述实验加速系数根据公式

获得，其中，Y_normal表示绝缘栅极双极型晶体管IGBT在理想工作状态下的使用寿命，Y_Test表示根据实验获得的绝缘栅极双极型晶体管IGBT在不同工作电流与温度条件下的预期使用寿命。

综上，本发明实施例的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法及装置，通过对IGBT的上桥臂和下桥臂的寿命消耗指数进行比较，选择用于主动短路的桥臂，通过控制上桥臂和三相下桥臂的交替工作，实现延长电机控制器寿命的目的。并且，本发明实施例的方法不涉及电机及电机控制器中的硬件变更，具有普遍适用性，且成本较低。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，包括：

获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，还包括：

计算主动短路的桥臂的寿命消耗指数；

在车辆下电前，根据计算获得的主动短路的桥臂的寿命消耗指数，更新所述主动短路的桥臂的寿命消耗指数。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，

根据公式

$E_{IGBT}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}K\left(t\right)dt$

计算获得主动短路的桥臂的寿命消耗指数，其中，E_IGBT表示寿命消耗指数，t表示在一个整车循环内执行主动短路操作的时间，K(t)表示加速系数，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得。

4.根据权利要求3所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，所述加速系数通过第一径向基函数神经网络实时计算获得的步骤包括：

获得所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作电流和主动短路的桥臂的温度；

根据所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，通过第一径向基函数神经网络实时计算获得加速系数。

5.根据权利要求4所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，

所述第一径向基函数神经网络包括输入层、隐层和输出层，其中，输入层包括所述工作电流和主动短路的桥臂的温度，所述隐层包括神经元数量，所述输出层的输出量为加速系数。

6.根据权利要求3或5所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，

所述第一径向基函数神经网络的表达式为：

$y(x,w)=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\mathrm{\φ}\left(\right||x-c_i|\left|\right),$

其中，y(x,w)表示第一径向基函数神经网络的输出的加速系数，x表示输入矢量，x＝[Temp Cur]^T，Temp表示主动短路的桥臂的温度，Cur表示工作电流，w_i表示权重，l表示神经元数量，c_i表示中心矢量，||x-c_i||表示输入向量到中心矢量的距离，φ表示第一径向基函数。

7.根据权利要求6所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，所述φ表示的第一径向基函数具体为高斯径向基函数。

8.根据权利要求3所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得。

9.根据权利要求8所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，所述第一径向基函数神经网络由第二径向基函数神经网络经训练获得的步骤包括：

获取大量绝缘栅极双极型晶体管IGBT的实验数据组，根据实验数据组获得绝缘栅极双极型晶体管IGBT的工作温度、工作电流和实验加速系数的对应关系，表示为[Temp Cur K]；

将所述对应关系作为基础对第二径向基函数神经网络进行训练，获得第一径向基函数神经网络。

10.根据权利要求9所述的绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制方法，其特征在于，

所述实验加速系数根据公式

$K_1=\frac{Y_{normal}}{Y_{Test}}$

获得，其中，Y_normal表示绝缘栅极双极型晶体管IGBT在理想工作状态下的使用寿命，Y_Test表示根据实验获得的绝缘栅极双极型晶体管IGBT在不同工作电流与温度条件下的预期使用寿命。

11.一种绝缘栅极双极型晶体管IGBT的控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取所述绝缘栅极双极型晶体管IGBT的上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数；

确定模块，用于根据所述上桥臂的寿命消耗指数和下桥臂的寿命消耗指数，确定主动短路的桥臂。