CN110032086A - 功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，包括：系统实时仿真模块、器件损耗计算模块以及器件热阻抗模块；所述系统实时仿真模块，模拟功率半导体器件及其所在系统的电磁行为，并向所述器件损耗计算模块提供实时电磁信号；所述器件损耗计算模块，模拟功率半导体器件损耗行为，接收所述系统实时仿真模块的实时电磁信号，并向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号；所述器件热阻抗模块，模拟功率半导体器件热行为，接收所述器件损耗计算模块的实时损耗信号，生成实时温度信号并输出。本发明可从多时间尺度全面地对复杂电力电子系统中的功率半导体器件损耗及电、热应力特性进行实时分析，增加了器件温度仿真结果的可信度。

Description

功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统及方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体的，涉及一种功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统及方法。
背景技术
功率半导体器件在实际应用下的损耗及温度特性，是提高电力电子系统可靠性的重要基础。随着电力电子系统的控制及电路结构变得越来越复杂，传统的电力电子损耗及温度仿真计算方法，由于需要采用多个仿真平台，并且各个仿真平台得到的结果很难统一时间尺度，已经难以获得功率半导体器件在复杂工况条件下的损耗及温度特性。近年来出现的实时在线仿真工具和方法，很好的解决了复杂电力电子系统分析所面临的时间尺度匹配难题。但是现有实时仿真系统多局限于系统级的电磁特性仿真，而对于器件级的损耗及温度特性的实时仿真，还没有太多的应用报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，包括：系统实时仿真模块、器件损耗计算模块以及器件热阻抗模块；其中：
所述系统实时仿真模块，用于模拟功率半导体器件及其所在电力电子系统的电磁行为，并向所述器件损耗计算模块提供功率半导体器件的实时电磁应力信号；
所述器件损耗计算模块，用于计算功率半导体器件上的损耗，接收所述电力电子系统实时仿真模块的实时电磁信号，并根据电磁信号向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号；
所述器件热阻抗模块，用于模拟功率半导体器件热行为，接收所述器件损耗计算模块的实时损耗信号，并根据实时损耗信号生成器件实时温度信号。
优选地，根据电磁信号向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号的方法，采用如下任意一种：
-基于器件物理结构的损耗计算方法；
-基于器件数学模型的损耗计算方法；
-基于器件数据手册的损耗估算方法。
优选地，根据实时损耗信号生成器件实时温度信号的方法为：
-基于目前已有的热阻抗模型计算器件实时温度。
优选地，所述器件损耗计算模块，根据器件上的电磁信号，输出的实时损耗信号包括如下任意一项或任意多项：
-瞬时值，即损耗发生时刻的瞬时损耗功率；
-开关周期平均值；
-工频周期平均值；
-变周期平均值。
优选地，所述器件热阻抗模块采用如下任意一种或任意多种组合形式：
-Foster型和/或Cauer型热阻抗网络；
-纯热阻网络；
-频域传递函数热阻抗模型。
优选地，所述器件损耗计算模块和器件热阻抗模块采用如下任意一种连接结构：
-所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，集成于所述系统实时仿真模块中；
-所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，独立于所述系统实时仿真模块。
优选地，当所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块独立于所述系统实时仿真模块时，所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块可以采用相同的或不同的结构，采用以下任意一种或任意多种组合的形式：
-等效模拟电路和/或数字电路；
-计算机以及包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；
-包含信号采样调理电路的DSP、FPGA或CPLD以及其内部运算程序；
-与实时仿真模块同型号或不同型号的实时仿真器件。
优选地，所述器件损耗计算模块输出的实时损耗信号包括：功率半导体器件开关损耗、导通损耗和总损耗。
优选地，所述器件热阻抗模型模块生成的实时温度信号包括：功率半导体器件不同位置处的结温、芯片温度、外壳温度、散热器温度、散热触媒温度以及环境温度中的任意一个或者任意多个。
优选地，所述功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，还包括如下任意一个或任意多个模块：
-系统控制器模块，接收所述系统实时仿真模块反馈的实时电磁信号，并向所述系统实时仿真模块提供控制信号，控制所述系统实时仿真模块中电力电子电路及功率半导体器件的电磁行为；
-温度信号反馈接口模块，将所述器件热阻抗模块输出的功率半导体器件实时温度信号，反馈给所述器件损耗计算模块、所述器件热阻抗模块和/或所述实时仿真模块，修正电磁、损耗及温度计算结果。
根据本发明的另一个方面，提供了一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真方法，包括：
模拟功率半导体器件及其所在电力电子系统的电磁行为，得到所关注功率半导体器件上的实时电磁应力信号；
根据得到的所述实时电磁应力信号，计算功率半导体器件上的损耗，生成实时损耗信号；
模拟功率半导体器件的热行为，并根据所述实时损耗信号生成器件实时温度信号。
优选地，所述方法还包括如下任意一个或任意多个特征：
-根据所述实时电磁信号生成控制信号，用于控制模拟功率半导体器件的电磁行为；
-根据所述实时温度信号反馈回实时仿真模型、损耗计算模型和/或热阻抗模型，用于修正损耗和温度计算结果。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统及方法，通过实时在线仿真模拟实际工况，使功率半导体器件运行在复杂工况下，且能得到实时的功率半导体器件温度仿真结果。
2、本发明提供的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统及方法，综合多时间尺度下的特性，增加了器件温度仿真结果的可信度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提供的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统整体结构示意图及工作过程示意图。
图2为本发明实施例中所提供的实时在线仿真系统结构示意图。
图3为本发明实施例中所提供的器件热阻抗模块的第一种结构示意图。
图4为本发明实施例中所提供的器件热阻抗模块的第二种结构示意图。
图5为本发明实施例中所提供的器件热阻抗模块的第三种结构示意图。
图6为本发明实施例中所提供的器件热阻抗模块的第四种结构示意图。
图7为本发明实施例中所提供的三相两电平变流器结构示意图。
图8为本发明实施例中基于开关脉冲模型仿真得到的功率半导体模块的损耗，其中Pcon-T1为功率半导体模块中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT))的导通损耗；Psw-T1为IGBT的开关损耗；Pcon-D1为功率半导体模块中反并联二极管的导通损耗；Psw-D1为反并联二极管的开关损耗。
图9为本发明实施例中基于平均模型仿真得到的功率半导体模块的损耗，其中Pcon-T1为IGBT的导通损耗；Psw-T1为IGBT的开关损耗；Pcon-D1为反并联二极管的导通损耗；Psw-D1为反并联二极管的开关损耗。
图10为本发明实施例中仿真得到的IGBT稳态结温，其中TjT1-sw是基于开关脉冲模型得到的IGBT稳态结温；TjT1-ave是基于平均模型得到的IGBT稳态结温。
图11为本发明实施例中仿真得到的反并联二极管稳态结温，其中TjD1-sw是基于开关脉冲模型得到的反并联二极管稳态结温；TjD1-ave是基于平均模型得到的反并联二极管稳态结温。
图12为本发明实施例中仿真得到的散热器稳态温度，其中Th-sw是基于开关脉冲模型得到的散热器稳态温度；Th-ave是基于平均模型得到的散热器稳态温度。
图中：
1为系统控制器；
2为系统实时仿真模块；
3为器件损耗计算模块；
4为器件热阻抗模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种可通过在线仿真方式实时反映功率半导体器件损耗及温度的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统，包括：系统实时仿真模块，器件损耗计算模块和器件热阻抗模块；其中：
系统实时仿真模块，用于模拟功率半导体器件及其所在电子电力器件的电磁行为(描述电子电力器件的电磁特性)，并向器件损耗计算模块提供实时电磁信号；
器件损耗计算模块，用于模拟多时间尺度下的变流器行为(描述电子电力器件的损耗特性)，接收系统实时仿真模块的实时电磁信号，并向器件热阻抗模块提供包括功率半导体器件、电容器等关键变流器部件的实时损耗信号；
器件热阻抗模块，用于模拟电子电力器件的热应力行为(描述电子电力器件的温度特性)，接收器件损耗计算模块的实时损耗信号，得到反映功率半导体器件温度的温度信号。
进一步地，实时在线仿真系统，还包括：
系统控制器模块，接收所述系统实时仿真模块反馈的实时电磁信号，并向所述系统实时仿真模块提供控制信号，控制所述系统实时仿真模块中电力电子电路及功率半导体器件的电磁行为。
进一步地，实时在线仿真系统，还包括：
温度信号反馈接口，将所述器件热阻抗模块输出的功率半导体器件实时温度信号，反馈给所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块和/或所述实时仿真模块，修正所述电磁、损耗及温度计算结果。
进一步地，系统控制器采用以下任一形式：
-实体控制器；
-集成于系统实时仿真模块上的通过执行软件代码实现控制功能的控制器模块。
进一步地，系统实时仿真模块采用以下任一形式：
-实时数字仿真仪RTDS；
-实时仿真器RT-LAB。
进一步地，器件损耗计算模块输出的损耗信号包括：功率半导体器件开关损耗、导通损耗和总损耗。
进一步地，器件热阻抗模块采用以下任一形式或任意多种形式的组合：
-Foster型和/或Cauer型热阻抗网络；
-纯热阻网络；
-频域传递函数热阻抗模型；
进一步地，器件热阻抗模块得到温度信号包括：功率半导体器件不同位置处的结温、芯片温度、外壳温度、散热器温度、散热触媒温度以及环境温度中的任意一个或者任意多个。
本实施例中功率半导体器件包括以下任一类型：
-电容器；
-电感；
-变压器；
-磁件；
-导体连接件；
-基于硅、碳化硅、氮化镓的半导体芯片；
-采用模块、压接、分立式封装技术制作的功率半导体器件及其散热系统。
在本发明的实施例中，
系统控制器，为可选部件，用于接收电力电子实时仿真系统反馈的实时电磁信号，并向电力电子实时仿真系统提供实时控制信号，控制实时仿真系统中电力电子变流器行为；
系统实时仿真模块，包括RTDS，RT-Lab等在内的实时仿真软、硬件系统，用于接收控制器的控制信号，模拟功率半导体器件的电磁行为，并向器件损耗计算模块提供实时电磁信号；
器件损耗计算模块，用于接收系统实时仿真模块的电磁信号，并向器件热阻抗模块输出包括功率半导体器件，电容器在内的关键功率半导体器件实时损耗信号；
器件热阻抗模块，用于接收器件损耗计算模块的实时损耗信号，生成关键功率半导体器件包含内部、壳部、散热器、环境等关键点在内的实时温度信号；
可选的，将器件热阻抗模型生成的温度信号反馈给器件损耗计算模块，和/或器件热阻抗模块，用于器件温度控制，或用于修正损耗、温度计算结果。
系统控制器用于描述电力电子实时仿真系统控制特性，系统实时仿真模块用于描述电力电子实时仿真系统电磁特性，器件损耗计算模块用于描述功率半导体器件损耗特性，器件热阻抗模块用于描述功率半导体器件温度特性。
可根据实际需求以及电磁输出结果，建立多个时间尺度下的损耗和温度特性。
下面结合附图，对本发明上述实施例所提供的技术方案进一步详细描述。
图1为本发明一实施例提供的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统整体结构示意图及工作过程示意图。如图1所示，该实施例系统可以包括：系统控制器1，系统实时仿真模块2，器件损耗计算模块3和器件热阻抗模块4。系统控制器1用于描述控制行为，接收系统实时仿真模块2反馈的电磁信号，并向系统实时仿真模块2提供控制信号；系统实时仿真模块2用于描述系统行为(电磁行为)，反馈电磁情况，接收系统控制器1的控制信号，并向器件损耗计算模块3提供电磁信号；器件损耗计算模块3用于描述多时间尺度下的功率半导体器件的变流器行为，接收系统实时仿真模块2的电磁信号，并向器件热阻抗模块4提供损耗信号；器件热阻抗模块4用于描述器件功率半导体器件的热应力行为(即器件热行为)，接收器件损耗计算模块3的损耗信号，得到反映功率半导体器件温度的温度信号并反馈给器件损耗计算模块3和器件热阻抗模块4。
图2为本发明一实施例中所提供的实时在线仿真系统结构示意图。如图2所示，带有系统控制器1的系统实时仿真模块2采用RTDS，器件损耗计算模块3和器件热阻抗模块4均集成于dSPACE(数字空间)中。RTDS通过GTAO卡向dSPACE实时输出模拟信号，dSPACE接收到模拟信号通过ADC模块进行采样和转换，经过器件损耗计算模块3计算得到损耗信号输入到器件热阻抗模块4中。
图3为第一种结构的器件热阻抗模块示意图，采用的是串联热阻网络，功率半导体器件的功率损耗作为输入，功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度作为输出(图3中分别标识为J、C、H、A)。
图4为第二种结构的器件热阻抗模块示意图，采用的是Foster型热阻抗网络，功率半导体器件的功率损耗作为输入，功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度作为输出(图4中分别标识为J、C、H、A)。
图5为第三种结构的器件热阻抗模块示意图，采用的是Cauer型热阻抗网络，功率半导体器件的功率损耗作为输入，功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度作为输出(图5中分别标识为J、C、H、A)。
图6为第四种结构的器件热阻抗模块示意图，采用的是带低通滤波器的频域热阻抗模型(是一种将Foster/Cauer热阻抗网络等效为低通滤波器串联在热路中的模型)，包括：热阻抗单元a、受控温度源b、受控热功率源c和热功率滤波器d。图中LPF为低通滤波器，功率半导体器件的功率损耗作为输入，功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度作为输出(图6中分别标识为J、C、H、A)。其中：受控热功率源c，用于输入的功率损耗进行耦合；受控温度源b，用于对C点的温度信号进行耦合；热阻抗单元a，用于表征其输入的功率损耗和其两端口温度差之间的关系；热功率滤波器d，用于对受控热功率源c输出的热功率信号进行滤波处理。值得注意的是，热阻抗单元a的输入量与热功率滤波器d的输入量皆由功率半导体器件的功率损耗提供，但热阻抗单元a和热功率滤波器d不是并联关系，两者的输入侧通过受控热功率源相耦合。
图7为本发明一实施例中选取的三相两电平变流器主电路图，三相两电平变流器通过升压变压器并入母线电压为11kV的三相交流电网，功率半导体模块选用英飞凌(Infineon)公司的FF900R12IE4。
图8为本发明一实施例中选取的三相两电平变流器中，基于开关脉冲模型的功率半导体模块的稳态损耗。
图9为本发明一实施例中选取的三相两电平变流器中，基于平均模型的功率半导体模块的稳态损耗。
图10为本发明一实施例中选取的三相两电平变流器的功率半导体模块中IGBT的稳态结温，其中器件热阻抗模块采用图6所示的第四种结构。
图11为本发明一实施例中选取的三相两电平变流器的功率半导体模块中反并联二极管的稳态结温，其中器件热阻抗模块采用图6所示的第四种结构。
图12为本发明一实施例中选取的三相两电平变流器的功率半导体模块散热器的稳态温度。
本发明上述实施例所提供的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统及方法，可实时在线仿真功率半导体器件损耗及温度，其中，系统控制器，用于描述控制行为，接收系统实时仿真模块反馈的电磁信号，并输出控制信号；系统实时仿真模块，用于实时仿真和描述功率半导体器件及其所在电力电子系统行为(电磁行为)，接收控制器的控制信号，并输出功率半导体器件及关键部件的电磁信号；器件损耗计算模块，用于描述多时间尺度下的变流器行为，接收系统实时仿真模块的电磁信号，并输出损耗信号；器件热阻抗模块，用于描述功率半导体器件热应力行为，接收多时间尺度模块输出的损耗信号，得到反映功率半导体器件温度的温度信号并反馈给器件损耗计算模块和器件热阻抗模块。
本发明上述实施例提供的功率半导体器件损耗及温度的实时在线仿真系统及方法，可从多时间尺度全面地对功率半导体器件工作特性进行实时分析，增加了器件温度仿真结果的可信度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，包括：系统实时仿真模块、器件损耗计算模块以及器件热阻抗模块；其中：
所述系统实时仿真模块，用于模拟功率半导体器件及其所在电力电子系统的电磁行为，并向所述器件损耗计算模块提供功率半导体器件的实时电磁应力信号；
所述器件损耗计算模块，用于计算功率半导体器件上的损耗，接收所述电力电子系统实时仿真模块的实时电磁信号，并根据电磁信号向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号；
所述器件热阻抗模块，用于模拟功率半导体器件热行为，接收所述器件损耗计算模块的实时损耗信号，并根据实时损耗信号生成器件实时温度信号。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，根据电磁信号向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号的方法，采用以下任意一种：
-基于器件物理结构的损耗计算方法；
-基于器件数学模型的损耗计算方法；
-基于器件数据手册的损耗估算方法；
和/或，
根据实时损耗信号生成器件实时温度信号的方法为：
-基于已有的热阻抗模型计算器件实时温度。
3.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，所述器件损耗计算模块，根据器件上的电磁信号，输出的实时损耗信号包括如下任意一项或任意多项：
-损耗发生时刻的瞬时损耗功率；
-开关周期平均值；
-工频周期平均值；
-变周期平均值。
4.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，所述器件热阻抗模块采用如下任意一种或任意多种组合的形式：
-Foster型和/或Cauer型热阻抗网络；
-纯热阻网络；
-频域传递函数热阻抗模型。
5.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，所述器件损耗计算模块和所述器件热阻抗模块采用如下任意一种连接结构：
-所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，集成于所述系统实时仿真模块中；
-所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，独立于所述系统实时仿真模块。
6.根据权利要求5所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，当所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块独立于所述系统实时仿真模块时，所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，采用以下任意一种或任意多种组合的形式：
-等效模拟电路和/或数字电路；
-计算机以及包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；
-包含信号采样调理电路的DSP、FPGA或CPLD以及内部运算程序；
-与实时仿真模块同型号或不同型号的实时仿真器件。
7.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，所述器件损耗计算模块输出的实时损耗信号包括：功率半导体器件开关损耗、导通损耗和总损耗；
和/或，
所述器件热阻抗模块生成的实时温度信号包括：功率半导体器件不同位置处的结温、芯片温度、外壳温度、散热器温度、散热触媒温度以及环境温度中的任意一个或者任意多个。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，还包括如下任意一个或任意多个模块：
-系统控制器模块，接收所述系统实时仿真模块反馈的实时电磁信号，并向所述系统实时仿真模块提供控制信号，控制所述系统实时仿真模块中电力电子电路及功率半导体器件的电磁行为；
-温度信号反馈接口模块，将所述器件热阻抗模块输出的功率半导体器件实时温度信号，反馈给所述器件损耗计算模块、所述器件热阻抗模块和/或所述实时仿真模块，修正电磁、损耗及温度计算结果。
9.一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真方法，其特征在于，包括：
模拟功率半导体器件及其所在电力电子系统的电磁行为，得到所关注功率半导体器件上的实时电磁应力信号；
根据得到的所述实时电磁应力信号，计算功率半导体器件上的损耗，生成实时损耗信号；
模拟功率半导体器件的热行为，并根据所述实时损耗信号生成器件实时温度信号。
10.根据权利要求9所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真方法，其特征在于，还包括如下任意一项或任意多项：
-根据所述实时电磁信号生成控制信号，用于控制模拟功率半导体器件的电磁行为；
-根据所述实时温度信号反馈回实时仿真模型、损耗计算模型和/或热阻抗模型，用于修正损耗和温度计算结果。
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