CN110133465B - Igbt模块结温的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT模块结温的计算方法及系统，该计算方法括如下步骤：获取IGBT模块的初始结温；计算所述IGBT模块的损耗；依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程，将所述IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出所述IGBT模块的温升；以及将所述IGBT模块的温升与对应的所述IGBT模块的初始结温相加得到所述IGBT模块的结温。本发明通过建立的热网络方程，充分考虑了冷却系统对IGBT模块的结温的影响，使得结温估算的结果更加准确。解决了现有结温预测中未考虑冷却系统而导致的不全面、不准确的问题。

Description

IGBT模块结温的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及晶体管技术领域，特指一种IGBT模块结温的计算方法及系统。

背景技术

IGBT模块是当前应用广泛的功率器件，其重要性不言而喻。但在功率器件工作过程中，其工作温度不能超过其结温，否则会造成器件的损坏。根据以往的统计数据，IGBT工作时的结温过高，超过了其所允许的最高结温，通常会造成永久性的不可逆失效。同时，长期工作在高温，会影响IGBT寿命；但若控制工作温度过低，IGBT不能发挥最大效率。所以，IGBT模块在使用中为了降低结温，都会安装相应的冷却循环系统，保证IGBT模块的有效工作。

以往有许多关于IGBT模块结温的研究和应用，都是考虑损耗对温度的影响，而都未考虑冷却系统对温度的影响。现有技术中未有包含冷却系统的IGBT模块的结温预测方法，脱离了实际应用，而包含冷却系统的IGBT模块的结温计算恰是实际最需要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种IGBT模块结温的计算方法及系统，解决现有的IGBT模块结温计算方法中未考虑冷却系统对温度影响而使得结温的预测脱离实际应用、预测结果不准确的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种IGBT模块结温的计算方法，括如下步骤：

获取IGBT模块的初始结温；

计算所述IGBT模块的损耗；

依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程，将所述IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出所述IGBT模块的温升；以及

将所述IGBT模块的温升与对应的所述IGBT模块的初始结温相加得到所述IGBT模块的结温。

本发明通过建立的热网络方程，充分考虑了冷却系统对IGBT模块的结温的影响，使得结温估算的结果更加准确。解决了现有结温预测中未考虑冷却系统而导致的不全面、不准确的问题。

本发明IGBT模块结温的计算方法的进一步改进在于，计算所述IGBT模块的损耗的步骤，包括：

计算所述IGBT模块中的每一个IGBT芯片的导通损耗和开关损耗，所述IGBT芯片的导通损耗通过如下公式计算得到：

式一中，Q_IGBTcond为IGBT芯片在一个开关周期内的导通损耗，t₁为IGBT芯片在一个开关周期内的导通时间，V_ce为IGBT芯片导通降压，r_ce为IGBT芯片的导通阻值；i是相电流，a₁至a₅为系数；

所述IGBT芯片的开关损耗通过如下公式计算得到：

式二中，Q_IGBTswitch为IGBT芯片在一个开关周期内的开关损耗，i是相电流，b₁至b₃为系数，β为IGBT芯片在一个开关周期内的开关次数；

将计算得到的IGBT芯片的导通损耗与开关损耗求和以得到IGBT芯片的损耗；

计算所述IGBT模块中的每一个二极管的导通损耗和开关损耗，所述二极管的导通损耗通过如下公式计算得到：

式三中，Q_Diodecond为二极管的一个开关周期内的导通损耗，t₂为二极管在一个开关周期内的导通时间，V_d为二极管的导通降压，r_d为二极管的导通阻值，i是相电流，c₁至c₅为系数；

式四中，Q_Diodeswitch为二极管的一个开关周期内的开关损耗，i为相电流，d₁至d₃为系数，β为二极管在一个开关周期内的开关次数；

将计算得到的二极管的导通损耗与开关损耗求和以得到二极管的损耗。

本发明IGBT模块结温的计算方法的进一步改进在于，依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程时，将所述IGBT模块中的各IGBT芯片和二极管分别作为一热节点，将各IGBT芯片和二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点作为一热节点，将所述冷却系统作为一热节点；

依据上述所有的热节点建立所述IGBT模块传热的热网络方程，所述热网络方程为：

方程一中，C_k为节点k的热容，Q_k为节点k的损耗，T_k为节点k的温度，T_j为节点j的温度，R_kj为节点k和节点j之间的热阻，ΔT为节点k在Δt时间内上升的温度，n为热网络的节点数，m＝n-1。

本发明IGBT模块结温的计算方法的进一步改进在于，将所述IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出所述IGBT模块的温升的步骤，包括：

依据所述方程一建立每一IGBT芯片和二极管的热网络方程；

将每一IGBT芯片和二极管的损耗代入对应的热网络方程中并求解出每一IGBT芯片和二极管的温升。

本发明IGBT模块结温的计算方法的进一步改进在于，将所述IGBT模块的温升与对应的所述IGBT模块的初始结温相加得到所述IGBT模块的结温的步骤，包括：

将每一IGBT芯片和二极管的温升与对应的初始结温求和并得到对应的IGBT芯片和二极管的结温；

选取IGBT芯片和二极管的结温中的最大值作为IGBT模块的结温。

本发明还提供了一种IGBT模块结温的计算系统，包括：

采集单元，与IGBT模块通信连接，用于采集IGBT模块的温度；以及

与所述采集单元连接的控制单元，所述控制单元用于依据IGBT模块的温度计算得出IGBT模块的初始结温；还用于计算IGBT模块的损耗，并依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立IGBT模块传热的热网络方程，将所述IGBT模块的损耗代入所述热网络方程中计算得到IGBT模块的温升，进而依据IGBT模块的温升与对应的IGBT模块的初始结温相加得到IGBT模块的结温。

本发明IGBT模块结温的计算系统的进一步改进在于，所述控制单元内存储有IGBT芯片导通损耗和开关损耗计算公式和二极管导通损耗与开关损耗计算公式；

所述IGBT芯片导通损耗计算公式如下：

式一中，Q_IGBTcond为IGBT芯片在一个开关周期内的导通损耗，t₁为IGBT芯片在一个开关周期内的导通时间，V_ce为IGBT芯片导通降压，r_ce为IGBT芯片的导通阻值；i是相电流，a₁至a₅为系数；

所述IGBT芯片开关损耗计算公式如下：

式二中，Q_IGBTswitch为IGBT芯片在一个开关周期内的开关损耗，i是相电流，b₁至b₃为系数，β为IGBT芯片在一个开关周期内的开关次数；

所述二极管导通损耗计算公式如下：

式三中，Q_Diodecond为二极管的一个开关周期内的导通损耗，t₂为二极管在一个开关周期内的导通时间，V_d为二极管的导通降压，r_d为二极管的导通阻值，i是相电流，c₁至c₅为系数；

所述二极管开关损耗计算公式如下：

式四中，Q_Diodeswitch为二极管的一个开关周期内的开关损耗，i为相电流，d₁至d₃为系数，β为二极管在一个开关周期内的开关次数；

所述控制单元根据式一至式四计算得到IGBT模块中的每一IGBT芯片的损耗和二极管的损耗。

本发明IGBT模块结温的计算系统的进一步改进在于，所述控制单元依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程时，将所述IGBT模块中的各IGBT芯片和二极管分别作为一热节点，将各IGBT芯片和二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点作为一热节点，将所述冷却系统作为一热节点；

所述控制单元依据上述所有的热节点建立IGBT模块传热的热网络方程，所述热网络方程为：

方程一中，C_k为节点k的热容，Q_k为节点k的损耗，T_k为节点k的温度，T_j为节点j的温度，R_kj为节点k和节点j之间的热阻，ΔT为节点k在Δt时间内上升的温度，n为热网络的节点数，m＝n-1。

本发明IGBT模块结温的计算系统的进一步改进在于，所述控制单元将每一IGBT芯片的损耗和二极管的损耗代入所述方程一中，计算得出每一IGBT芯片和二极管的温升。

本发明IGBT模块结温的计算系统的进一步改进在于，所述控制单元将每一IGBT芯片和二极管的温升与对应的初始结温求和得出对应的IGBT芯片和二极管的结温；

所述控制单元从IGBT芯片和二极管的结温中选出最大值作为IGBT模块的结温。

附图说明

图1为本发明IGBT模块的结温计算系统的硬件结构示意图。

图2为本发明IGBT模块的U相示意图。

图3为本发明的IGBT模块与冷却板的连接结构示意图。

图4为本发明的单个IGBT芯片的热网络图。

图5为本发明IGBT模块的结温计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种IGBT模块结温的计算方法及系统，用于对包含多个IGBT芯片和多个二极管的IGBT模块的结温进行计算，用于解决IGBT模块的实际应用问题，为IGBT模块提供实际应用中最有价值的结温计算结果。本发明根据IGBT模块的工作参数，建立合适的热网络模型计算结温，建立热网络方程时，将单个IGBT芯片和单个二极管作为热节点，将IGBT芯片和二极管映射于冷却水管表面及冷却水的温度分别作为热节点，以充分考虑冷却系统对温度的影响，使得本发明的结温计算方法考虑的更加全面，更加科学，也使得结温的计算结果更加准确。下面结合附图对本发明IGBT模块结温的计算方法及系统进行说明。

参阅图1，显示了本发明IGBT模块的结温计算系统的硬件结构示意图。下面结合图1，对本发明IGBT模块结温的计算系统进行说明。

如图1所示，本发明的IGBT模块结温的计算系统包括采集单元和与采集单元连接的控制单元41，采集单元与IGBT模块20通信连接，用于采集IGBT模块20的温度；控制单元41获取采集单元采集的IGBT模块20的温度，并用于依据IGBT模块20的温度计算得出IGBT模块20的初始结温；该控制单元41还用于计算IGBT模块20的损耗，并依据IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立IGBT模块20的热网络方程，并将IGBT模块20的损耗代入到热网络方程中计算得到IGBT模块20的温升，进而依据IGBT模块20的温升与对应的IGBT模块20的初始结温相加得到IGBT模块的结温。

如图2所示，IGBT模块20内设有多个IGBT芯片21和多个二极管22，图2所示的IGBT模块20内设置有6个IGBT芯片和6个二极管，对称的分布在上桥臂和下桥臂，而IGBT模块20的结温指的就是IGBT芯片21和二极管22的结温，对于每一相的结温就是指6个IGBT芯片的结温和6个二极管的结温，由于每个IGBT芯片和二极管的制造存在差异，运行参数也存在差异，导致了其结温不一致，有高有低，因此为确保IGBT模块的安全可靠的运行，对IGBT芯片及二极管的结温进行计算是十分有必要的。在图2所示的IGBT模块20内还设有温度传感器23，该温度传感器23设于下桥臂，用于检测IGBT模块20的温度，但温度传感器23由于布置在角落，其检测的IGBT模块20的温度无法直接反映IGBT模块的结温。

较佳地，本发明的采集单元与温度传感器23通信连接，用于实时获取温度传感器23测得的温度数据。采集单元将获取的温度数据发送给控制单元。控制单元对接收的温度数据进行修正，并根据该温度数据计算出IGBT模块的初始结温。具体地，控制单元内预设有一初始结温系数，控制单元将采集单元发送的温度数据乘以该初始结温系数就得到了IGBT模块的初始结温。该初始结温系数可人为设定，其取值在0.95至0.99之间，较佳为0.98和0.97。

IGBT模块20在一个开关周期内，电流为正时，上桥臂的IGBT芯片21导通，上桥臂的二极管22与下桥臂的IGBT芯片21和二极管22必然关断，在上桥臂的IGBT芯片21关断后，再是下桥臂的二极管22导通；电流为负时，下桥臂IGBT芯片21导通，上桥臂的IGBT芯片21和二极管22以及下桥臂的二极管22必然关断，然后下桥臂的IGBT芯片21关断后再是上桥臂的二极管22导通。从而依据上述IGBT模块20的工作模式，根据IGBT芯片和二极管导通的实际、相电流、IGBT芯片和二极管的导通压降、IGBT芯片和二极管的导通阻值，可拟合出IGBT芯片和二极管导通的损耗计算公式；再根据相电流和开关次数，可拟合出IGBT芯片和二极管的开关损耗计算公式，进而使得IGBT芯片和二极管的损耗可计算得到。

具体地，控制单元41内存储有IGBT芯片导通损耗和开关损耗计算公式和二极管导通损耗与开关损耗计算公式；

IGBT芯片导通损耗计算公式如下：

式一中，Q_IGBTcond为IGBT芯片在一个开关周期内的导通损耗，t₁为IGBT芯片在一个开关周期内的导通时间，V_ce为IGBT芯片导通降压，r_ce为IGBT芯片的导通阻值；i是相电流，a₁至a₅为系数；式一中的系数a₁至a₅可通过实验得到，具体地，控制IGBT芯片导通，使用功率分析仪，测量IGBT芯片的输入功率和输出功率就能够得到不同情况下的导通损耗；在一个开关周期内，设定指定占空比电压，施加在IGBT芯片的两端，通过修改导通压降的占空比时间，就是IGBT在一个开关周期内的占空比，就是修改了t₁的值，所以t₁为已知值；式一中的V_ce和r_ce可以通过IGBT芯片的datasheet中的图标得到，datasheet中会有不同电流和温度情况下的导通压降和导通电阻绘制曲线，因此这两个量为已知；相电流可通过电流表测量；通过上述的已知量，在不同温度下改变不同电压，得到一系列的数据，就可解算出系数a₁至a₅，而后通过多次测量，不断拟合以提高系数a₁至a₅的准确度。

IGBT芯片开关损耗计算公式如下：

式二中，Q_IGBTswitch为IGBT芯片在一个开关周期内的开关损耗，i是相电流，b₁至b₃为系数，β为IGBT芯片在一个开关周期内的开关次数；式二中的系数b₁至b₃的计算方法与式一中的计算方法类似，仅测开关状态下IGBT芯片的数据，根据各个已知量计算出系数b₁至b₃，而后通过多次测量，不断拟合以提高系数b₁至b₃的准确度。

二极管导通损耗计算公式如下：

式三中，Q_Diodecond为二极管的一个开关周期内的导通损耗，t₂为二极管在一个开关周期内的导通时间，V_d为二极管的导通降压，r_d为二极管的导通阻值，i是相电流，c₁至c₅为系数；

二极管开关损耗计算公式如下：

式四中，Q_Diodeswitch为二极管的一个开关周期内的开关损耗，i为相电流，d₁至d₃为系数，β为二极管在一个开关周期内的开关次数；其中的系数c₁至c₅和系数d₁至d₃的计算方法与上述式一和式二中的系数a₁至a₅和系数b₁至b₃的计算方法相似。

控制单元41根据式一至式四计算得到IGBT模块20中的每一IGBT芯片21的损耗和二极管22的损耗。其中IGBT芯片21的损耗等于IGBT芯片的导通损耗与开关损耗之和，二极管22的损耗等于二极管22的导通损耗与开关损耗之和。

如图1和图3所示，IGBT模块20的底部设有冷却板51，冷却系统包括设于冷却板51的下表面的冷却水管，冷却水管内通入有冷却水，通过冷却水带走IGBT模块传递过来的热量。具体地，IGBT模块20设于冷却板51上，IGBT模块20和冷却板51之间从下至上依次设置有系统焊接层56、底部铜层55、绝缘导热层54、顶部铜层53以及芯片焊接层52。IGBT模块20上的IGBT芯片21和二极管22作为热源，在导通和开关的过程中产生损耗，损耗对于IGBT模块的贡献全部表现为温升，同时，损耗产生的热量沿着芯片焊接层52、顶部铜层53、绝缘导热层54、底部铜层55以及系统焊接层56向着冷却板51传递，冷却板51通过通入冷却水而将IGBT模块20传递的热量带走。冷却水带走的热量、IGBT芯片间的传热、二极管间的传热、IGBT芯片与二极管间的传热及IGBT芯片和二极管给温度传感器的传热均来自IGBT芯片与二极管的损耗，也即二极管和IGBT芯片的损耗全部贡献为热量。

依据IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立IGBT模块传热的热网络方程时，为IGBT模块中的每个IGBT芯片和二极管建立独立的热网络单元，同时考虑IGBT芯片之间的热传递、二极管之间的热传递和IGBT芯片与二极管之间的热传递，将各IGBT芯片和二极管分别作为一个热节点，将各IGBT芯片和二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点作为一个热节点，冷却系统作为整个热网络模型的一个共同的热节点(也即各IGBT芯片和二极管映射于冷却水管内的冷却水的温度作为一热节点)，依据上述所有的热节点建立IGBT模块传热的热网络方程。单个IGBT芯片的热网络单元包括有三个热节点，一个热节点为IGBT芯片，另一个热节点为IGBT芯片映射于冷却板与冷却系统的接触点(也即IGBT芯片映射于冷却水管的表面)，再一个热节点为冷却系统(也即IGBT芯片银蛇与冷却水管内的冷却水的温度)。单个二极管的热网络单元也包括有三个热节点，一个热节点为二极管，另一个热节点为二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点，再一个热节点为冷却系统。将所有的IGBT芯片和二极管的热网络单元组合在一起就形成了IGBT模块的传热网络，所有热网络单元中的冷却系统这一热节点为共同的热节点。具体地，建立IGBT模块20的传热的热网络方程时，将IGBT芯片、二极管以及冷却系统作为热节点，将系统焊接层56、底部铜层55、绝缘导热层54、顶部铜层53以及芯片焊接层52视为整体介质作为热传递过程中的热阻，在每个IGBT芯片和二极管上建立热网络单元，并考虑IGBT芯片之间的热传递、二极管之间的热传递和IGBT芯片和二极管之间的热传递，将IGBT芯片和二极管作为热节点，整体介质映射于冷却板51与冷却系统的接触点作为热节点，冷却系统作为热节点，即组成了IGBT模块的热网络。本发明将整体介质视为热阻，减少了热节点的数量，保证了热阻的等效性，简化了热阻模型，降低了热网络的复杂性，且温度的精度并不会降低，所存在的误差在可接受范围内，且利用计算过程中的不断修正，还能够弥补上述误差。

如图4所示，建立IGBT芯片的热网络单元图，T1表示IGBT芯片热节点，T2表示IGBT芯片映射于冷却板与冷却系统的接触点的热节点，T3表示冷却系统的热节点，其中的R12为T1和T2之间的热阻，R13是T1与T3之间的热阻，R23是T2与T3之间的热阻。具体地，IGBT芯片的热量先传递到冷却水管的表面进而再传递给冷却水，而冷却水的温度较低，不会对IGBT芯片进行加热，故而设置单个IGBT芯片的热网络单元时，设置三个热节点。

具体地，控制单元建立的IGBT模块传热的热网络方程为：

方程一中，C_k为节点k的热容，Q_k为节点k的损耗，T_k为节点k的温度，T_j为节点j的温度，R_kj为节点k和节点j之间的热阻，ΔT为节点k在Δt时间内上升的温度，n为热网络的节点数，m＝n-1。方程一中的两个节点的温度差即为考虑节点之间的热传递，即考虑IGBT芯片之间的热传递、二极管之间的热传递和IGBT芯片与二极管之间的热传递。

方程一中的热容C_k和热阻R_kj可通过实验拟合出来，较佳可通过热仿真的方法得到，即建立等效的3D模型，利用热仿真软件进行热模拟实验，从而可得到热容和热阻。T_k和T_j的温度值初始由温度传感器测得，之后根据上一次的温度加上温升得到。Δt为时间间隔，n为节点数，均为已知，故而在得到损耗Q_k的情况下，即可计算出温升ΔT。

进一步地，控制单元将每一IGBT芯片的损耗和二极管的损耗代入方程一中，计算得出每一IGBT芯片和二极管的温升。

再进一步地，控制单元将每一IGBT芯片和二极管的温升与对应的初始结温求和得出对应的IGBT芯片和二极管的结温；控制单元从IGBT芯片和二极管的结温中选出最大值作为IGBT模块的结温。

IGBT模块包括U、V和W三相电力电子模块，图2显示为IGBT模块的U相分布。控制单元根据上述的热网络方程对应的建立每个相的热网络方程，计算出每一相中IGBT芯片和二极管的结温，从而选出最大值的结温，而后在与其他相的结温相比较，选取最大值，作为IGBT模块的结温。

如图1所示，本发明的IGBT模块的结温计算系统还包括有通信模块45，该通信模块45与IGBT模块的驱动模块30中的通信模块33通讯连接，用于实现信息的收发。驱动模块30与IGBT模块20用硬线连接，驱动模块30内的驱动芯片31用于控制IGBT模块20中的IGBT芯片和二极管的开关，电源模块32用于为驱动模块30供电。较佳地，通信模块33与通信模块45为串口通信模块，用于实现串口通信功能。本发明的结温计算系统还包括有电源模块42、输入43、输出44以及CAN通信模块46，其中的电源模块42用于对结温系统进行供电，输入43用于接收来自外部的请求，输出44用于控制外部设备，控制单元41用于处理内外部的请求和结温的计算，CAN通信模块46用于给CAN网络发送信号，并且上位机可以从CAN读取到控制单元41计算得出的结温信息。

下面对本发明提供的IGBT模块结温的计算方法进行说明。

本发明的IGBT模块结温的计算方法，括如下步骤：

如图5所示，执行步骤S11，获取IGBT模块的初始结温；接着执行步骤S12；

执行步骤S12，计算IGBT模块的损耗；接着执行步骤S13；

执行步骤S13，依据IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立IGBT模块传热的热网络方程，将IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出IGBT模块的温升；接着执行步骤S14；

执行步骤S14，将IGBT模块的温升与对应的IGBT模块的初始结温相加得到IGBT模块的结温。

本发明通过建立的热网络方程，充分考虑了冷却系统对IGBT模块的结温的影响，使得结温估算的结果更加准确。解决了现有结温预测中未考虑冷却系统而导致的不全面、不准确的问题。

作为本发明的一较佳实施方式，计算IGBT模块的损耗的步骤，包括：

计算IGBT模块中的每一个IGBT芯片的导通损耗和开关损耗，IGBT芯片的导通损耗通过如下公式计算得到：

式一中，Q_IGBTcond为IGBT芯片在一个开关周期内的导通损耗，t₁为IGBT芯片在一个开关周期内的导通时间，V_ce为IGBT芯片导通降压，r_ce为IGBT芯片的导通阻值；i是相电流，a₁至a₅为系数；

IGBT芯片的开关损耗通过如下公式计算得到：

式二中，Q_IGBTswitch为IGBT芯片在一个开关周期内的开关损耗，i是相电流，b₁至b₃为系数，β为IGBT芯片在一个开关周期内的开关次数；

将计算得到的IGBT芯片的导通损耗与开关损耗求和以得到IGBT芯片的损耗；

计算IGBT模块中的每一个二极管的导通损耗和开关损耗，二极管的导通损耗通过如下公式计算得到：

式三中，Q_Diodecond为二极管的一个开关周期内的导通损耗，t₂为二极管在一个开关周期内的导通时间，V_d为二极管的导通降压，r_d为二极管的导通阻值，i是相电流，c₁至c₅为系数；

式四中，Q_Diodeswitch为二极管的一个开关周期内的开关损耗，i为相电流，d₁至d₃为系数，β为二极管在一个开关周期内的开关次数；

将计算得到的二极管的导通损耗与开关损耗求和以得到二极管的损耗。

进一步地，依据IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立IGBT模块传热的热网络方程时，为IGBT模块中的每个IGBT芯片和二极管建立独立的热网络单元，同时考虑IGBT芯片之间的热传递、二极管之间的热传递和IGBT芯片与二极管之间的热传递，将各IGBT芯片和二极管分别作为一个热节点，将各IGBT芯片和二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点作为一个热节点，冷却系统作为整个热网络模型的一个共同的热节点(也即各IGBT芯片和二极管映射于冷却水管内的冷却水的温度作为一热节点)，依据上述所有的热节点建立IGBT模块传热的热网络方程。单个IGBT芯片的热网络单元包括有三个热节点，一个热节点为IGBT芯片，另一个热节点为IGBT芯片映射于冷却板与冷却系统的接触点(也即IGBT芯片映射于冷却水管的表面)，再一个热节点为冷却系统(也即IGBT芯片银蛇与冷却水管内的冷却水的温度)。单个二极管的热网络单元也包括有三个热节点，一个热节点为二极管，另一个热节点为二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点，再一个热节点为冷却系统。将所有的IGBT芯片和二极管的热网络单元组合在一起就形成了IGBT模块的传热网络，所有热网络单元中的冷却系统这一热节点为共同的热节点。具体地，IGBT模块20上的IGBT芯片21和二极管22作为热源，在导通和开关的过程中产生损耗，损耗对于IGBT模块的贡献全部表现为温升，同时，损耗产生的热量沿着芯片焊接层52、顶部铜层53、绝缘导热层54、底部铜层55以及系统焊接层56向着冷却板51传递，冷却板51通过通入冷却水而将IGBT模块20传递的热量带走。冷却水带走的热量、IGBT芯片间的传热、二极管间的传热、IGBT芯片与二极管间的传热及IGBT芯片和二极管给温度传感器的传热均来自IGBT芯片与二极管的损耗，也即二极管和IGBT芯片的损耗全部贡献为热量。故而在建立IGBT模块20的传热的热网络方程时，将IGBT芯片、二极管以及冷却系统作为热节点，将系统焊接层56、底部铜层55、绝缘导热层54、顶部铜层53以及芯片焊接层52视为整体介质作为热传递过程中的热阻，在每个IGBT芯片和二极管上建立热网络方程，并考虑IGBT芯片之间的热传递、二极管之间的热传递和IGBT芯片和二极管之间的热传递，将IGBT芯片和二极管作为热节点，整体介质映射于冷却板51与冷却系统的接触点作为热节点，冷却系统作为热节点，即组成了IGBT模块的热网络。

依据上述所有的热节点建立IGBT模块传热的热网络方程，热网络方程为：

方程一中，C_k为节点k的热容，Q_k为节点k的损耗，T_k为节点k的温度，T_j为节点j的温度，R_kj为节点k和节点j之间的热阻，ΔT为节点k在Δt时间内上升的温度，n为热网络的节点数，m＝n-1。

作为本发明的另一较佳实施方式，将IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出IGBT模块的温升的步骤，包括：

依据方程一建立每一IGBT芯片和二极管的热网络方程；

将每一IGBT芯片和二极管的损耗代入对应的热网络方程中并求解出每一IGBT芯片和二极管的温升。

每一IGBT芯片和二极管均建立有三个热节点的热网络方程，进而求出每一IGBT芯片和二极管的对应的温升。

进一步地，将IGBT模块的温升与对应的IGBT模块的初始结温相加得到IGBT模块的结温的步骤，包括：

将每一IGBT芯片和二极管的温升与对应的初始结温求和并得到对应的IGBT芯片和二极管的结温；

选取IGBT芯片和二极管的结温中的最大值作为IGBT模块的结温。

具体地，IGBT模块包括U、V和W三相电力电子模块，图2显示为IGBT模块的U相分布。根据上述的热网络方程对应的建立每个相的热网络方程，计算出每一相中IGBT芯片和二极管的结温，从而选出最大值的结温，而后在与其他相的结温相比较，选取最大值，作为IGBT模块的结温。

本发明的结温的计算方法及系统，依据IGBT模块的实时工作参数，建立了合适的热网络模型，能够准确地实时计算出IGBT模块的结温，能够确保IGBT模块安全可靠的运行，对IGBT模块起到有效的保护。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种IGBT模块结温的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取IGBT模块的初始结温；

计算所述IGBT模块的损耗；

依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程，将所述IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出所述IGBT模块的温升；以及

将所述IGBT模块的温升与对应的所述IGBT模块的初始结温相加得到所述IGBT模块的结温；

计算所述IGBT模块的损耗的步骤，包括：

计算所述IGBT模块中的每一个IGBT芯片的导通损耗和开关损耗，所述IGBT芯片的导通损耗通过如下公式计算得到：

式一中，Q_IGBTcond为IGBT芯片在一个开关周期内的导通损耗，t₁为IGBT芯片在一个开关周期内的导通时间，V_ce为IGBT芯片导通降压，r_ce为IGBT芯片的导通阻值；i是相电流，a₁至a₅为系数；

所述IGBT芯片的开关损耗通过如下公式计算得到：

式二中，Q_IGBTswitch 为IGBT芯片在一个开关周期内的开关损耗，i是相电流，b₁至b₃为系数，β为IGBT芯片在一个开关周期内的开关次数；

将计算得到的IGBT芯片的导通损耗与开关损耗求和以得到IGBT芯片的损耗；

计算所述IGBT模块中的每一个二极管的导通损耗和开关损耗，所述二极管的导通损耗通过如下公式计算得到：

式三中，Q_Diodecond 为二极管的一个开关周期内的导通损耗，t₂为二极管在一个开关周期内的导通时间，V_d为二极管的导通降压，r_d为二极管的导通阻值，i是相电流，c₁至c₅为系数；

式四中，Q_Diodeswitch 为二极管的一个开关周期内的开关损耗，i为相电流，d₁至d₃为系数，β为二极管在一个开关周期内的开关次数；

将计算得到的二极管的导通损耗与开关损耗求和以得到二极管的损耗。

2.如权利要求1所述的IGBT模块结温的计算方法，其特征在于，依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程时，将所述IGBT模块中的各IGBT芯片和二极管分别作为一热节点，将各IGBT芯片和二极管映射于冷却板与冷却系统的接触点作为一热节点，将所述冷却系统作为一热节点；

依据上述所有的热节点建立所述IGBT模块传热的热网络方程，所述热网络方程为：

方程一中，C_k为节点k的热容，Q_k为节点k的损耗，T_k为节点k的温度，T_j为节点j的温度，R_kj为节点k和节点j之间的热阻，ΔT为节点k在Δt时间内上升的温度，n为热网络的节点数，m＝n-1。

3.如权利要求2所述的IGBT模块结温的计算方法，其特征在于，将所述IGBT模块的损耗代入所建立的热网络方程中以计算得出所述IGBT模块的温升的步骤，包括：

依据所述方程一建立每一IGBT芯片和二极管的热网络方程；

将每一IGBT芯片和二极管的损耗代入对应的热网络方程中并求解出每一IGBT芯片和二极管的温升。

4.如权利要求3所述的IGBT模块结温的计算方法，其特征在于，将所述IGBT模块的温升与对应的所述IGBT模块的初始结温相加得到所述IGBT模块的结温的步骤，包括：

将每一IGBT芯片和二极管的温升与对应的初始结温求和并得到对应的IGBT芯片和二极管的结温；

选取IGBT芯片和二极管的结温中的最大值作为IGBT模块的结温。

5.一种IGBT模块结温的计算系统，其特征在于，包括：

采集单元，与IGBT模块通信连接，用于采集IGBT模块的温度；以及

与所述采集单元连接的控制单元，所述控制单元用于依据IGBT模块的温度计算得出IGBT模块的初始结温；还用于计算IGBT模块的损耗，并依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立IGBT模块传热的热网络方程，将所述IGBT模块的损耗代入所述热网络方程中计算得到IGBT模块的温升，进而依据IGBT模块的温升与对应的IGBT模块的初始结温相加得到IGBT模块的结温；

所述控制单元内存储有IGBT芯片导通损耗和开关损耗计算公式和二极管导通损耗与开关损耗计算公式；

所述IGBT芯片导通损耗计算公式如下：

式一中，Q_IGBTcond为IGBT芯片在一个开关周期内的导通损耗，t₁为IGBT芯片在一个开关周期内的导通时间，V_ce为IGBT芯片导通降压，r_ce为IGBT芯片的导通阻值；i是相电流，a₁至a₅为系数；

所述IGBT芯片开关损耗计算公式如下：

式二中，Q_IGBTswitch 为IGBT芯片在一个开关周期内的开关损耗，i是相电流，b₁至b₃为系数，β为IGBT芯片在一个开关周期内的开关次数；

所述二极管导通损耗计算公式如下：

式三中，Q_Diodecond 为二极管的一个开关周期内的导通损耗，t₂为二极管在一个开关周期内的导通时间，V_d为二极管的导通降压，r_d为二极管的导通阻值，i是相电流，c₁至c₅为系数；

所述二极管开关损耗计算公式如下：

式四中，Q_Diodeswitch 为二极管的一个开关周期内的开关损耗，i为相电流，d₁至d₃为系数，β为二极管在一个开关周期内的开关次数；

所述控制单元根据式一至式四计算得到IGBT模块中的每一IGBT芯片的损耗和二极管的损耗。

6.如权利要求5所述的IGBT模块结温的计算系统，其特征在于，所述控制单元依据所述IGBT模块和冷却系统间的传热关系建立所述IGBT模块传热的热网络方程时，将所述IGBT模块中的各IGBT芯片和二极管分别作为一热节点，将各IGBT芯片和二极管映射于冷却板与所述冷却系统的接触点作为一热节点，将所述冷却系统作为一热节点；

所述控制单元依据上述所有的热节点建立IGBT模块传热的热网络方程，所述热网络方程为：

方程一中，C_k为节点k的热容，Q_k为节点k的损耗，T_k为节点k的温度，T_j为节点j的温度，R_kj为节点k和节点j之间的热阻，ΔT为节点k在Δt时间内上升的温度，n为热网络的节点数，m＝n-1。

7.如权利要求6所述的IGBT模块结温的计算系统，其特征在于，所述控制单元将每一IGBT芯片的损耗和二极管的损耗代入所述方程一中，计算得出每一IGBT芯片和二极管的温升。

8.如权利要求7所述的IGBT模块结温的计算系统，其特征在于，所述控制单元将每一IGBT芯片和二极管的温升与对应的初始结温求和得出对应的IGBT芯片和二极管的结温；

所述控制单元从IGBT芯片和二极管的结温中选出最大值作为IGBT模块的结温。

Images