CN109597966A - 电机控制器中功率元件igbt结温的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法，本方法根据在一定温度范围内，IGBT的饱和压降与结温之间存在着可近似视为线性的关系，利用饱和压降与温度的关系间接得到结温，从而根据结温和热敏电阻测量得到的温度的对应关系，得出从IGBT基板到IGBT芯片的瞬态热阻抗曲线，然后通过曲线拟合得到IGBT瞬态热阻抗数学模型，通过该模型计算得IGBT瞬时结温。本方法克服传统IGBT结温估算的缺陷，根据实际试验数据建立IGBT的瞬态热阻模型，提高模型参数的精度，其结温估算简单，便于实现，计算量小，降低元器件成本，且估算误差小，提高了电机控制器的最大输出能力及安全性。

Description

电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法。

背景技术

结温是判断功率元件IGBT处于安全运行的重要条件，IGBT的工作结温限制着电机控制器的最大输出能力。在实际使用中，很多因素均会导致IGBT过热损坏，例如设计因素、复杂工况、高振动、温度冲击、硅脂老化等。通常采用热敏电阻进行IGBT结温的间接保护，由于热敏电阻放置在IGBT的基板或者散热器上，直接测量的是基板或散热器的温度，但是IGBT的结温和基板或散热器温度存在温差，而且基板或散热器的温度响应时间很慢，且两者的关系并不明确，所以热敏电阻测量到的基板或散热器的温度并不能实时的反映IGBT的结温。在电机堵转等极端工况下，由于IGBT内部的热能分布不均，如果不能实时估算IGBT的结温，很容易引起IGBT过热损坏。现有技术中关于IGBT结温估算的解决方案存在硬件电路设计复杂、元器件成本高、IGBT热阻模型不精确、结温估算误差较大等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法，本方法克服传统IGBT结温估算的缺陷，根据实际试验数据建立IGBT的瞬态热阻模型，提高模型参数的精度，其结温估算简单，便于实现，计算量小，降低元器件成本，且估算误差小，提高了电机控制器的最大输出能力及安全性。

为解决上述技术问题，本发明电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法包括如下步骤：

步骤一、IGBT结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线提取，电流源经二极管提供IGBT电流，IGBT的基极与集电极短接，通过电压测量设备测量IGBT的饱和压降V_ce，IGBT放置在温控箱内，通过调节温控箱的温度给IGBT加热，同时记录不同温度下对应的饱和压降V_ce，拟合成一条直线：

T_j＝k×V_ce+b (1)

其中，k和b分别为直线的斜率和截距；

步骤二、IGBT瞬态热阻抗曲线的提取，采用小电流源和大电流源分别经二极管提供IGBT电流，其中大电流源的输出电流为远大于小电流源的某一恒定值，IGBT的基极和集电极短接，通过电压测量设备测量IGBT的饱和压降V_ce；

将待测IGBT固定于设有热敏电阻的散热器并放置于系统冷却水道上，开通大电流源和小电流源，并维持一段时间待IGBT结温达到稳定，记录此时的IGBT电流I和饱和压降V_ce，并计算得到此时IGBT的损耗功率P_loss＝I×V_ce；

断开大电流源，让IGBT结温自然降低至稳定状态，同时用电压测量设备记录此过程中的饱和压降V_ce和热敏电阻测量得到的温度T_ntc，此时，采用式(1)中已测得的结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线和实际测到的饱和压降V_ce值推算出此过程中的结温T_j的曲线，通过下式：

推算出IGBT的瞬态热阻抗曲线Z_j-ntc；

步骤三、IGBT瞬态热阻抗数学模型的建立，该模型的等效电路由四组并联的等效热阻和等效热容串联而成，IGBT结温T_j时的损耗功率P(t)经等效电路后温度为热敏电阻测量到的温度T_ntc，然后降低至环境温度T_a，单组并联的等效热阻和等效热容的瞬态热阻抗数学表达式为：

则总的瞬态热阻抗数学表达式为各串联部分的总和：

其中，τ_i＝R_iC_i，R_i为等效热阻值，C_i为等效热容值，i＝1,2,3,4；

根据式(2)的IGBT的瞬态热阻抗曲线和式(4)的瞬态热阻抗数学表达式，采用曲线拟合工具，得到瞬态热阻抗数学模型中各等效热阻R_i和等效热容C_i的数值；

根据瞬态热阻抗等效电路，推导出瞬态热阻抗数学模型的传递函数：

其中，ΔT_j为IGBT结温的变化量，P为IGBT损耗功率，s为传递函数中的拉普拉斯算子；

步骤四、IGBT损耗功率的计算，IGBT的损耗功率分为两部分，通态损耗P_cond和开关损耗P_sw，其中开关损耗分为开通损耗P_{sw_on}和关断损耗P_{sw_off}，则IGBT的损耗功率为：

P＝P_cond+P_{sw_on}+P_{sw_off} (6)

在一个PWM周期内，平均通态损耗P_cond的计算公式如下：

P_cond＝I_c×V_ce×D (7)

其中，I_c是流过IGBT集电极的电流，通过电流传感器实时测量得到，V_ce是IGBT的饱和压降，通过IGBT数据手册得到，D是IGBT的PWM驱动占空比；

在一个PWM周期内，平均开关损耗P_sw的计算公式如下：

P_sw＝f_pwm×(E_on+E_off)×V_dc/V_{dc_norm} (8)

其中，f_pwm为PWM的频率，E_on和E_off为开通能量损耗和关断能量损耗，通过IGBT数据手册得到，V_dc为实际中母线电压，V_{dc_norm}为IGBT数据手册中E_on和E_off的测试电压；

步骤五、IGBT的结温估算，其计算公式如下：

T_j＝ΔT_j+T_ntc (9)

其中，T_ntc为采用热敏电阻测量得到的温度，ΔT_j通过式(5)变换得到：

其中，R_i和τ_i在步骤三中通过曲线拟合工具得到，从而得到IGBT瞬时结温T_j。

由于本发明电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法采用了上述技术方案，即本方法根据在一定温度范围内，IGBT的饱和压降与结温之间存在着可近似视为线性的关系，利用饱和压降与温度的关系间接得到结温，从而根据结温和热敏电阻测量得到的温度的对应关系，得出从IGBT基板到IGBT芯片的瞬态热阻抗曲线，然后通过曲线拟合得到IGBT瞬态热阻抗数学模型，通过该模型计算得IGBT瞬时结温。本方法克服传统IGBT结温估算的缺陷，根据实际试验数据建立IGBT的瞬态热阻模型，提高模型参数的精度，其结温估算简单，便于实现，计算量小，降低元器件成本，且估算误差小，提高了电机控制器的最大输出能力及安全性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法中IGBT结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线提取示意图；

图2为本方法中IGBT结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线示意图；

图3为本方法中IGBT瞬态热阻抗曲线的提取示意图；

图4为本方法中IGBT瞬态热阻抗曲线示意图；

图5为本方法中IGBT瞬态热阻抗等效电路示意图；

图6为本方法IGBT结温估算示意图。

具体实施方式

本发明电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法包括如下步骤：

步骤一、如图1和图2所示，IGBT结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线提取，电流源I经二极管D提供IGBT电流，IGBT的基极与集电极短接，通过电压测量设备V测量IGBT的饱和压降V_ce，IGBT放置在温控箱内，通过调节温控箱的温度给IGBT加热，同时记录不同温度下对应的饱和压降V_ce，拟合成一条直线：

T_j＝k×V_ce+b (1)

其中，k和b分别为直线的斜率和截距；

步骤二、如图3和图4所示，IGBT瞬态热阻抗曲线的提取，采用小电流源i和大电流源I分别经二极管D1、D2提供IGBT电流，其中大电流源I的输出电流为远大于小电流源i的某一恒定值，IGBT的基极和集电极短接，通过电压测量设备V测量IGBT的饱和压降V_ce；

将待测IGBT固定于设有热敏电阻的散热器并放置于系统冷却水道上，开通大电流源I和小电流源i，并维持一段时间待IGBT结温达到稳定，记录此时的IGBT电流I和饱和压降V_ce，并计算得到此时IGBT的损耗功率P_loss＝I×V_ce；

断开大电流源I，让IGBT结温自然降低至稳定状态，同时用电压测量设备V记录此过程中的饱和压降V_ce和热敏电阻测量得到的温度T_ntc，此时，采用式(1)中已测得的结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线和实际测到的饱和压降V_ce值推算出此过程中的结温T_j的曲线，通过下式：

推算出IGBT的瞬态热阻抗曲线Z_j-ntc；

步骤三、如图5所示，IGBT瞬态热阻抗数学模型的建立，该模型的等效电路由四组并联的等效热阻R1、R2、R3、R4和等效热容C1、C2、C3、C4串联而成，IGBT结温T_j时的损耗功率P(t)经等效电路后温度为热敏电阻测量到的温度T_ntc，然后降低至环境温度T_a，单组并联的等效热阻和等效热容的瞬态热阻抗数学表达式为：

则总的瞬态热阻抗数学表达式为各串联部分的总和：

其中，τ_i＝R_iC_i，R_i为等效热阻值，C_i为等效热容值，i＝1,2,3,4；

根据式(2)的IGBT的瞬态热阻抗曲线和式(4)的瞬态热阻抗数学表达式，采用曲线拟合工具，得到瞬态热阻抗数学模型中各等效热阻R_i和等效热容C_i的数值；

根据瞬态热阻抗等效电路，推导出瞬态热阻抗数学模型的传递函数：

其中，ΔT_j为IGBT结温的变化量，P为IGBT损耗功率，s为传递函数中的拉普拉斯算子；

步骤四、IGBT损耗功率的计算，IGBT的损耗功率分为两部分，通态损耗P_cond和开关损耗P_sw，其中开关损耗分为开通损耗P_{sw_on}和关断损耗P_{sw_off}，则IGBT的损耗功率为：

P＝P_cond+P_{sw_on}+P_{sw_off} (6)

在一个PWM周期内，平均通态损耗P_cond的计算公式如下：

P_cond＝I_c×V_ce×D (7)

其中，I_c是流过IGBT集电极的电流，通过电流传感器实时测量得到，V_ce是IGBT的饱和压降，通过IGBT数据手册得到，D是IGBT的PWM驱动占空比；

在一个PWM周期内，平均开关损耗P_sw的计算公式如下：

P_sw＝f_pwm×(E_on+E_off)×V_dc/V_{dc_norm} (8)

其中，f_pwm为PWM的频率，E_on和E_off为开通能量损耗和关断能量损耗，通过IGBT数据手册得到，V_dc为实际中母线电压，V_{dc_norm}为IGBT数据手册中E_on和E_off的测试电压；

步骤五、如图6所示，IGBT的结温估算，其计算公式如下：

T_j＝ΔT_j+T_ntc (9)

其中，T_ntc为采用热敏电阻测量得到的温度，ΔT_j通过式(5)变换得到：

其中，R_i和τ_i在步骤三中通过曲线拟合工具得到，从而得到IGBT瞬时结温T_j。

本方法解决了现有技术中IGBT结温估算存在硬件电路设计复杂、成本较高、IGBT热阻模型不精确、结温估算误差较大等问题；本方法根据实际试验数据建立IGBT的瞬态热阻抗数学模型，模型参数精度高；根据瞬态热阻抗数学模型的传递函数进行IGBT瞬态结温的计算，其实现方式简单、计算量小，便于编程实现，而且估算误差较小。

本方法中未给出IGBT续流二极管的结温估算，但该续流二极管的结温估算与本方法类似，所不同的是在步骤一和步骤二提取的是续流二极管的瞬态热阻抗曲线，步骤四是根据数据手册中续流二极管的特性进行损耗计算，因此本方法同样也可以实现IGBT续流二极管的结温估算。

本方法通过对IGBT实时结温进行估算，根据实际的结温对IGBT进行温度保护，即使在电机堵转等极限工况下，也能发挥出电机控制器的最大输出能力，又能确保电机控制器不会过温损坏，提高了电机控制器的安全性；同时还可以根据实际的运行工况进行IGBT寿命损伤度实时计算等，提高电机控制器的可靠性。

Claims (1)

1.一种电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、IGBT结温T_j与饱和压降Vce的关系曲线提取，电流源经二极管提供IGBT电流，IGBT的基极与集电极短接，通过电压测量设备测量IGBT的饱和压降V_ce，IGBT放置在温控箱内，通过调节温控箱的温度给IGBT加热，同时记录不同温度下对应的饱和压降V_ce，拟合成一条直线：

T_j＝k×V_ce+b (1)

其中，k和b分别为直线的斜率和截距；

步骤二、IGBT瞬态热阻抗曲线的提取，采用小电流源和大电流源分别经二极管提供IGBT电流，其中大电流源的输出电流为远大于小电流源的某一恒定值，IGBT的基极和集电极短接，通过电压测量设备测量IGBT的饱和压降V_ce；

将待测IGBT固定于设有热敏电阻的散热器并放置于系统冷却水道上，开通大电流源和小电流源，并维持一段时间待IGBT结温达到稳定，记录此时的IGBT电流I和饱和压降V_ce，并计算得到此时IGBT的损耗功率P_loss＝I×V_ce；

断开大电流源，让IGBT结温自然降低至稳定状态，同时用电压测量设备记录此过程中的饱和压降V_ce和热敏电阻测量得到的温度T_ntc，此时，采用式(1)中已测得的结温T_j与饱和压降V_ce的关系曲线和实际测到的饱和压降V_ce值推算出此过程中的结温T_j的曲线，通过下式：

推算出IGBT的瞬态热阻抗曲线Z_j-ntc；

步骤三、IGBT瞬态热阻抗数学模型的建立，该模型的等效电路由四组并联的等效热阻和等效热容串联而成，IGBT结温T_j时的损耗功率P(t)经等效电路后温度为热敏电阻测量到的温度T_ntc，然后降低至环境温度T_a，单组并联的等效热阻和等效热容的瞬态热阻抗数学表达式为：

则总的瞬态热阻抗数学表达式为各串联部分的总和：

其中，τ_i＝R_iC_i，R_i为等效热阻值，C_i为等效热容值，i＝1,2,3,4；

根据式(2)的IGBT的瞬态热阻抗曲线和式(4)的瞬态热阻抗数学表达式，采用曲线拟合工具，得到瞬态热阻抗数学模型中各等效热阻R_i和等效热容C_i的数值；

根据瞬态热阻抗等效电路，推导出瞬态热阻抗数学模型的传递函数：

其中，ΔT_j为IGBT结温的变化量，P为IGBT损耗功率，s为传递函数中的拉普拉斯算子；

步骤四、IGBT损耗功率的计算，IGBT的损耗功率分为两部分，通态损耗P_cond和开关损耗P_sw，其中开关损耗分为开通损耗P_{sw_on}和关断损耗P_{sw_off}，则IGBT的损耗功率为：

P＝P_cond+P_{sw_on}+P_{sw_off} (6)

在一个PWM周期内，平均通态损耗P_cond的计算公式如下：

P_cond＝I_c×V_ce×D (7)

其中，I_c是流过IGBT集电极的电流，通过电流传感器实时测量得到，V_ce是IGBT的饱和压降，通过IGBT数据手册得到，D是IGBT的PWM驱动占空比；

在一个PWM周期内，平均开关损耗P_sw的计算公式如下：

P_sw＝f_pwm×(E_on+E_off)×V_dc/V_{dc_norm} (8)

其中，f_pwm为PWM的频率，E_on和E_off为开通能量损耗和关断能量损耗，通过IGBT数据手册得到，V_dc为实际中母线电压，V_{dc_norm}为IGBT数据手册中E_on和E_off的测试电压；

步骤五、IGBT的结温估算，其计算公式如下：

T_j＝ΔT_j+T_ntc (9)

其中，T_ntc为采用热敏电阻测量得到的温度，ΔT_j通过式(5)变换得到：

其中，R_i和τ_i在步骤三中通过曲线拟合工具得到，从而得到IGBT瞬时结温T_j。