CN109274255B - 计及杂散电感影响的风电变流器igbt功率模块动态结温计算方法 - Google Patents

计及杂散电感影响的风电变流器igbt功率模块动态结温计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，属于新能源发电用大功率电力电子器件可靠性技术领域，该方法包括：S1：根据杂散电感导致的并联多芯片间的动态不均流，建立IGBT模块等效电路模型；S2：推导杂散电感参数与开通损耗间的数学关系；S3：引入等效热耦合阻抗，建立考虑芯片间热耦合的热网络模型；S4：建立IGBT模块动态结温计算模型，将结温热分布结果反馈到损耗的数学关系模型中，往复迭代获得IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。本发明能够准确反映IGBT功率模块内部动态热分布，有效表征模块内部的热薄弱环节，可改进风电变流器热管理控制策略，从而提高其可靠性。

Description

计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算 方法
技术领域
本发明属于新能源发电用大功率电力电子器件可靠性技术领域，涉及一种计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法。
背景技术
风电变流器作为风能转换系统枢纽，是影响风电机组稳定可靠运行的重要环节。然而机组长时间、大范围频繁的随机出力，致使变流器持续承受剧烈的热应力冲击，成为故障率最高的部件之一。为了满足风电机组大容量变流器功率模块的应用需求，目前普遍采用多芯片并联来提高功率等级，然而，并联多芯片间电流分布不均以及芯片间的热源耦合会导致模块内部温度差异明显。考虑多芯片动态多热源耦合影响的风电变流器功率模块结温准确计算，对发现功率模块内部薄弱环节，提高其运行可靠性至关重要。
目前大多数研究主要针对单芯片和多芯片IGBT模块稳态结温评估及其热分布。然而，基于稳态电流均匀分布假设和模块平均损耗分布的计算结果，无法准确反映其内部多芯片动态热应力分布，难以表征变流器功率模块内部的薄弱环节。随着IGBT开关频率提高，模块内部杂散电感影响并联多芯片间的电流分布，进而影响芯片间的热耦合问题，因此，有必要进一步研究计及杂散电感影响的风电变流器功率模块内部动态结温的计算。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，该方法在考虑杂散电感影响的前提下，结合模块热网络模型，利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及不同控制策略下的变流器运行参数，对IGBT模块内部的动态结温分布进行计算；同时考虑温度分布对损耗的影响，将结温计算结果反馈到损耗计算模型中，往复迭代得到IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，该方法包含如下步骤：
S1：根据杂散电感导致的并联多芯片间的动态不均流，建立IGBT模块等效电路模型；
S2：理论推导杂散电感参数与芯片开通损耗间的数学关系；
S3：根据芯片间热耦合对结温分布的影响，引入等效热耦合阻抗，建立考虑芯片间热耦合的热网络模型；
S4：建立考虑杂散电感影响的IGBT模块内部动态结温计算模型，根据温度分布对损耗的影响，将结温热分布结果反馈到损耗的数学关系模型中，往复迭代获得IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
进一步，步骤S1具体包含如下步骤：
S11：构建考虑杂散电感的多芯片并联IGBT功率模块上、下桥臂等效电路模型；
S12：借助ANSYS软件提取等效电路模型中的杂散电感参数，推导各支路杂散电感的感应电压表达式，进一步分析芯片开通过程中杂散电感对电流变化率的影响。
进一步，步骤S2具体为：
S21：建立基于功率半导体器件开关过程物理机制的开通分段线性模型，计算开通过程中各芯片损耗，理论分析各芯片的开通损耗与电流变化率之间的关系；
S22：根据杂散电感对电流变化率的影响，进一步建立各芯片损耗与杂散电感之间的数学关系式。
进一步，步骤S3具体包含如下步骤：
S31：建立IGBT模块的有限元模型，通过在单个芯片上施加单位脉冲损耗，监测该芯片及周边芯片的稳态结温最大值，再借助MATLAB进行曲线拟合，获取不同芯片间距下器件自热阻抗和耦合热阻抗；
S32：基于传统Foster热网络模型，引入等效热耦合阻抗表征多芯片间的热耦合，建立IGBT模块热网络模型。
进一步，步骤S4具体包含如下步骤：
S41：考虑IGBT功率模块内部封装杂散电感，基于多芯片电热耦合理论，结合风电变流器控制策略，建立计及杂散电感影响的IGBT模态内部动态结温计算模型；
S42：利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及变流器运行参数，计算IGBT导通损耗和开关损耗；
S43：将损耗计算结果输入到热网络模型，同时考虑温度分布对损耗的影响，将计算所得的结温热分布结果反馈到损耗模型中，以此往复迭代得到IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
进一步，步骤S12中，IGBT导通过程中，支路电流I与驱动电压Uge满足：
Figure BDA0001817851450000021
式中，UGE为栅极和发射极辅助端子两端电压，其值在任意时刻对各并联支路芯片相同；电感矩阵L为各支路杂散电感，可划分为两部分，一是驱动电流ig导通路径电感，二是功率电流ic导通路径电感。
上下桥臂杂散电感的感应电压表达式分别为：
Figure BDA0001817851450000031
各芯片电流变化率为：
Figure BDA0001817851450000032
式中，KP为器件内部等效MOSFET管的导电系数，可视为常数；Uth为导通阈值电压。代入Uge可得
Figure BDA0001817851450000033
式中，
Figure BDA0001817851450000034
进一步，步骤S42中开关损耗计算公式满足：
Figure BDA0001817851450000035
式中，Eon(I)、Eoff(I)分别为IGBT模块负载电流等级为I下总开通损耗和总关断损耗；Klow_j为芯片j开通损耗占总损耗比例系数；n为并联芯片个数；kj为各芯片电流变化率比值，j＝1,…,6。
本发明的有益效果在于：本发明公开的一种计及杂散电感影响的IGBT功率模块动态结温计算方法，考虑了模块内部杂散电感对动态电流分布的影响，相比基于稳态电流分布假设，更能够准确反映IGBT功率模块内部的动态热分布，可以有效表征模块内部的热薄弱环节，对于改进风电变流器热管理控制策略、优化封装散热设计，进而提高其可靠性具有重要意义。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明考虑杂散电感影响的IGBT模块内部动态结温计算模型；
图2为本发明所涉及的风电变流器用IGBT功率模块及其电路结构；
图3为本发明考虑杂散电感影响的IGBT模块上、下桥臂等效电路；
图4为本发明计及芯片间热耦合的IGBT模块热网络模型；
图5为本发明全风速范围内风电机组机侧变流器IGBT模块内部动态结温分布。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
下面将结合附图对本发明的优选实施例做详细说明，本实施例选用某1.5MW风电变流器用IGBT模块，具体型号为FF450R17ME4，在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
图1所示为本发明所述方法的具体计算模型，本发明的目的在于提供一种计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，该方法考虑了杂散电感的影响，结合计及芯片间热耦合的热网络模型，利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及不同控制策略下的变流器运行参数，对IGBT模块内部的动态结温分布进行计算，具体包括以下步骤：
S1：根据杂散电感导致的并联多芯片间的动态不均流，建立IGBT模块等效电路模型；
S2：理论推导杂散电感参数与芯片开通损耗间的数学关系；
S3：根据芯片间热耦合对结温分布的影响，引入等效热耦合阻抗，建立考虑芯片间热耦合的热网络模型；
S4：建立考虑杂散电感影响的IGBT模块内部动态结温计算模型，根据温度分布对损耗的影响，将结温热分布结果反馈到损耗的数学关系模型中，往复迭代获得IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
进一步的，步骤S1中考虑杂散电感导致的芯片间动态不均流，建立IGBT模块等效电路模型具体为：
S11：根据图2所示的IGBT模块内部结构，构建多芯片并联IGBT功率模块上、下桥臂等效电路模型，如图3所示；
图2中，该半桥模块对应风电变流器三相全桥电路中的其中一相，其上下桥臂分别由三个IGBT芯片并联构成，且每个芯片反并联一个续流二极管；图中还包括功率端子P、N，输出端子AC，门极和辅助发射极引出端子G、E。
图3中，等效电路展示了各芯片电流导通路径及其对应杂散电感LeE，主要包括芯片发射极到铜迹键合引线电感Lb、并联芯片间铜迹键合引线电感Lσ。
S12：借助ANSYS软件提取等效电路模型中的杂散电感参数，推导各支路杂散电感的感应电压表达式，进而分析芯片开通过程中杂散电感对电流变化率的影响。
上桥臂开通过程中，下桥臂二极管的续流作用使得导通电流IC的突变不会在芯片间的耦合杂散电感Lσ上产生反向电压，因此各芯片的导通电流变化仅受各芯片发射极到铜迹键合引线杂散电感Lb的影响；下桥臂开通过程中，各芯片的导通电流变化同时受到杂散电感Lb和杂散电感Lσ的影响，不同位置的芯片受芯片间键合引线杂散电感的影响不同。因此上下桥臂各支路杂散电感的感应电压表达式
Figure BDA0001817851450000051
Figure BDA0001817851450000052
式中，对角线Lgi(i＝1,…,6)是栅极驱动路径对应的自感；igi(i＝1,…,6)为门极驱动电流；ici(i＝1,…,6)为功率回路电流，Lb表示芯片发射极到铜迹键合引线电感，Lσ表示并联芯片间铜迹键合引线电感。
进一步的，步骤S2理论推导杂散电感参数与损耗的数学关系具体为：
S21：建立基于功率半导体器件开关过程物理机制的开通分段线性模型，计算开通过程中各芯片损耗，理论分析各芯片的开通损耗与电流变化率之间的关系；
S22：根据杂散电感对电流变化率的影响，进一步建立各芯片损耗与杂散电感之间的数学关系式。
各芯片开关损耗计算公式：
Figure BDA0001817851450000053
式中，Eon(I)、Eoff(I)分别为IGBT模块负载电流等级为I下总开通损耗和总关断损耗；Klow_j为芯片j开通损耗占总损耗比例系数；n为并联芯片个数；LeE,j为各芯片杂散电感；kj为各芯片电流变化率比值，j＝1,…,6。
以下桥臂为例
Figure BDA0001817851450000054
式中，k4、k5、k6分别为下桥臂开通过程中芯片Q4、Q5、Q6的电流变化率之比；α为常数，α＝12.75；杂散电感LeE4、LeE5、LeE6分别为36.754nH、20.71nH、5.66nH。
进一步的，步骤S3建立考虑芯片间热耦合的IGBT模块热网络模型具体为：
S31：建立IGBT模块的有限元模型，通过在某芯片上施加单位脉冲损耗，监测该芯片及周边芯片的稳态结温最大值，再借助MATLAB进行曲线拟合，获取不同芯片间距下器件自热阻抗和耦合热阻抗；
S32：基于传统Foster热网络模型，引入等效热耦合阻抗表征多芯片间的热耦合，建立IGBT模块热网络模型，如图4所示。
图4中，Ploss_1为芯片1的功率损耗，Zth(1,1)为芯片1的结壳热阻抗，Zth_ch1为芯片1对应的管壳-散热器之间的导热脂热阻抗，Zth_ha为IGBT模块的散热器热阻抗，Zth(1,2)为芯片2对芯片1的耦合热阻抗，表示芯片2施加单位功率损耗时芯片稳态最高结温增量；Ta为环境温度，Tj1为芯片1的结温，Tc为壳温，Th为散热器温度；其余依此类推。
进一步的，步骤S4计及杂散电感影响，建立IGBT模块内部动态结温计算模型，具体为：
S41：考虑IGBT功率模块内部封装杂散电感，基于多芯片电热耦合理论，结合风电变流器控制策略，建立计及杂散电感影响的IGBT模态内部动态结温计算模型；
S42：利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及变流器运行参数，计算IGBT导通损耗和开关损耗；
S43：将损耗计算结果输入到热网络模型，同时考虑温度分布对损耗的影响，将计算所得的结温热分布结果反馈到损耗模型中，以此往复迭代得到IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
为研究实际运行工况下变流器IGBT内部温度分布及变化趋势，运用图1所示的结温计算模型分析了2MW风电机组在5-15m/s全风速范围内机侧变流器IGBT功率模块内部结温分布，结果如图5所示。由图5可知，全风速范围内双馈风电机组机侧变流器功率模块内部下桥臂各芯片间温度分布差异明显，芯片Q6结温均值、波动幅值均最大，相比其他芯片高出5℃左右，是模块内部的热薄弱环节；而传统稳态平均结温计算模型计算结果偏低。并联各芯片间结温均值差异随着风速的增加逐渐增大；而结温波动幅值差异在同步风速点附近达到最大，差值约为10℃。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：
S1：根据杂散电感导致的并联多芯片间的动态不均流，建立IGBT模块等效电路模型；
S2：理论推导杂散电感参数与芯片开通损耗间的数学关系；
S3：根据芯片间热耦合对结温分布的影响，引入等效热耦合阻抗，建立考虑芯片间热耦合的热网络模型；具体包含如下步骤：
S31：建立IGBT模块的有限元模型，通过在单个芯片上施加单位脉冲损耗，监测该芯片及周边芯片的稳态结温最大值，再借助MATLAB进行曲线拟合，获取不同芯片间距下器件自热阻抗和耦合热阻抗；
S32：基于传统Foster热网络模型，引入等效热耦合阻抗表征多芯片间的热耦合，建立IGBT模块热网络模型；
S4：建立考虑杂散电感影响的IGBT模块内部动态结温计算模型，根据温度分布对损耗的影响，将结温热分布结果反馈到损耗的数学关系模型中，往复迭代获得IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
2.根据权利要求1所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：步骤S1具体包含如下步骤：
S11：构建考虑杂散电感的多芯片并联IGBT功率模块上、下桥臂等效电路模型；
S12：借助ANSYS软件提取等效电路模型中的杂散电感参数，推导各支路杂散电感的感应电压表达式，进一步分析芯片开通过程中杂散电感对电流变化率的影响。
3.根据权利要求2所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：步骤S2具体为：
S21：建立基于功率半导体器件开关过程物理机制的开通分段线性模型，计算开通过程中各芯片损耗，理论分析各芯片的开通损耗与电流变化率之间的关系；
S22：根据杂散电感对电流变化率的影响，进一步建立各芯片损耗与杂散电感之间的数学关系式。
4.根据权利要求3所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：步骤S4具体包含如下步骤：
S41：考虑IGBT功率模块内部封装杂散电感，基于多芯片电热耦合理论，结合风电变流器控制策略，建立计及杂散电感影响的IGBT模态内部动态结温计算模型；
S42：利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及变流器运行参数，计算IGBT导通损耗和开关损耗；
S43：将损耗计算结果输入到热网络模型，同时考虑温度分布对损耗的影响，将计算所得的结温热分布结果反馈到损耗模型中，以此往复迭代得到IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。
5.根据权利要求2所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：所述步骤S12中，IGBT导通过程中，支路电流I与驱动电压Uge满足：
Figure FDA0002214684310000021
式中，UGE为栅极和发射极辅助端子两端电压，其值在任意时刻对各并联支路芯片相同；电感矩阵L为各支路杂散电感，划分为两部分，一是驱动电流ig导通路径电感，二是功率电流ic导通路径电感；
上下桥臂杂散电感的感应电压表达式为：
Figure FDA0002214684310000022
各芯片导通电流变化率为：
Figure FDA0002214684310000023
代入Uge可得
Figure FDA0002214684310000024
式中，
Figure FDA0002214684310000025
KP为器件内部等效MOSFET管的导电系数；Uth为导通阈值电压。
6.根据权利要求4所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：所述步骤S42中，开关损耗计算公式满足：
Figure FDA0002214684310000026
式中，Eon(I)、Eoff(I)分别为IGBT模块负载电流等级为I下总开通损耗和总关断损耗；Klow_j为芯片j开通损耗占总损耗比例系数；n为并联芯片个数；kj为各芯片电流变化率比值，j＝1,…,6。
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