CN110502842B - 功率半导体模块的热模型建模方法及其应用方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的功率半导体模块的热模型建模方法及其应用方法和装置，在构建功率半导体模块的初始热阻抗模型的基础之上，以离线状态下测量得到的功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间为依据，对初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型，进而减小了现有技术中NTC采样延迟带来的结温估算误差，相比现有技术提高了结温估算的准确度。

Description

功率半导体模块的热模型建模方法及其应用方法和装置

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种功率半导体模块的热模型建模方法及其应用方法和装置。

背景技术

由于功率半导体模块的芯片温度无法直接测量，现有技术中通常采用基于热阻抗模型的结温在线估算方法来间接估算其结温，如图1所示，首先搭建待测芯片结到参考温度点的热阻抗模型，然后根据其热阻抗参数和芯片损耗(也即其芯片损耗的功率)来计算结相对于参考温度的温差，再加上参考温度进而计算得到其结温；该方法简单、成本低。

对于其参考温度的选取，如果采用环温或壳温，则需要增加额外的温度传感器；若采用水温，则可以由相应的控制器(比如汽车中的整车控制器)下发；若采用模块内部的NTC(Negative Temperature Coefficient，负温度系数元器件)的温度，则可以直接由相应的控制器温度采样电路获得。但是，无论采用上述哪种温度作为参考温度，其本质都是利用温度传感器来测量，都没有考虑到传感器本身、采样电路以及通信的延迟时间；然而，实际系统中相比于结温的响应时间，上述采样延迟时间是不可忽略的，这样就导致了估算结温的不准确。在峰值或堵转等工况时，结温上升非常快，如果估算的结温不准确就很容易导致模块受到不可恢复的损坏。

发明内容

本发明提供一种功率半导体模块的热模型建模方法及其应用方法和装置，以提高结温估算的准确度。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

本发明一方面提供一种功率半导体模块的热模型建模方法，包括：

构建所述功率半导体模块的初始热阻抗模型；

离线状态下测量所述功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间；

根据所述采样延迟时间，对所述初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型。

可选的，构建所述功率半导体模块的初始热阻抗模型，包括：

搭建所述功率半导体模块的芯片结到温度参考节点的热阻抗模型，并获取热阻抗模型参数，得到所述初始热阻抗模型。

可选的，所述温度参考节点为水冷入水口的温度。

可选的，获取热阻抗模型参数，包括：

通过出厂数据接收、仿真或者实验提取中的任意一种方式，获取所述热阻抗模型参数。

可选的，离线状态下测量所述功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间，包括：

在离线状态下，通过NTC采样与高速测温结果进行对比、理论计算以及实验试错中的任意一种方式，测量得到所述采样延迟时间。

可选的，根据所述采样延迟时间，对所述初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型，包括：

根据所述采样延迟时间，计算得到NTC温度节点到所述延迟采样节点之间的虚拟热阻；

对所述NTC温度节点的热容和所述延迟采样节点的热容进行设置，得到所述修正热阻抗模型。

可选的，所述虚拟热阻的计算公式为：

其中，R_NTC为所述虚拟热阻，τ为所述采样延迟时间，C₀为所述初始热阻抗模型中所述NTC温度节点的热容。

可选的，所述修正热阻抗模型中所述NTC温度节点的热容和所述延迟采样节点的热容，均为所述初始热阻抗模型中所述NTC温度节点的热容的一半。

本发明第二方面还提供了一种功率半导体模块的结温在线估算方法，包括：

根据以上述任一所述的功率半导体模块的热模型建模方法得到的修正热阻抗模型，搭建所述功率半导体模块的闭环结温观测器；

根据所述功率半导体模块的实时损耗功率、NTC采样温度、参考温度以及所述修正热阻抗模型中各个节点的温度初值，利用所述闭环结温观测器进行迭代计算，得到所述修正热阻抗模型中各个节点的实时温度。

可选的，搭建所述功率半导体模块的闭环结温观测器，包括：

以所述修正热阻抗模型中各个节点的温度作为状态变量，以所述修正热阻抗模型中各个节点的产生的损耗为输入变量，以所述修正热阻抗模型中延迟采样节点的温度作为输出变量，搭建所述闭环结温观测器。

可选的，所述闭环结温观测器的状态空间方程为：

其中，

为所述闭环结温观测器的状态变量一阶导数，/>

为所述闭环结温观测器的状态变量，u为所述闭环结温观测器的输入变量，x为所述功率半导体模块的状态变量，/>

为所述闭环结温观测器的输出变量，A为所述闭环结温观测器的系统矩阵，B为所述闭环结温观测器的输入矩阵，C为所述闭环结温观测器的输出矩阵，L为所述闭环结温观测器的反馈矩阵；且：/>

C＝[0 0 … 1]；

A-LC的特征值小于预设阈值。

本发明第三方面还提供了一种处理器，用于执行如上述任一所述的功率半导体模块的热模型建模方法，和/或，如上述任一所述的功率半导体模块的结温在线估算方法。

本发明第四方面还提供了一种电机控制器，包括如上述所述的处理器。

本发明提供的功率半导体模块的热模型建模方法，在构建所述功率半导体模块的初始热阻抗模型的基础之上，以离线状态下测量得到的所述功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间为依据，对所述初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型，进而减小了现有技术中NTC采样延迟带来的结温估算误差，相比现有技术提高了结温估算的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的结温在线估算方法的逻辑框图；

图2是本发明申请实施例提供的功率半导体模块的热模型建模方法的流程图；

图3是本发明申请实施例提供的初始热阻抗模型的结构示意图；

图4是本发明申请实施例提供的修正热阻抗模型的结构示意图；

图5是本发明申请实施例提供的功率半导体模块的热模型建模方法的另一流程图；

图6是本发明申请另一实施例提供的功率半导体模块的结温在线估算方法的流程图；

图7是本发明申请另一实施例提供的闭环结温观测器的逻辑框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，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，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种功率半导体模块的热模型建模方法，以提高结温估算的准确度。

请参见图2，该功率半导体模块的热模型建模方法包括：

S101、构建功率半导体模块的初始热阻抗模型。

此步骤的具体过程是，搭建功率半导体模块的芯片结到温度参考节点的热阻抗模型，并通过出厂数据接收、仿真或者实验提取中的任意一种方式，获取热阻抗模型参数，进而得到初始热阻抗模型。该初始热阻抗模型可以是如图3所示的一维结构,不同节点之间的热耦合用热阻表征，并且，每个节点相对于0温度基准有一个等效的节点热电容；当然，该初始热阻抗模型也可以是多维结构，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

其中，该温度参考节点表征的是该功率半导体模块结温估算所采用的参考温度，即其损耗功率流向的终点；现有技术通常芯片下方水温作为温度参考点建模，其精度有限；而本实施例基于水冷入水口的温度基本保持不变，不受采样延迟的影响，因此优选以该水冷入水口的温度作为参考温度，进行温度参考点的设置，使温度参考点这一节点的热容无穷大。此时，该初始热阻抗模型只与功率半导体模块内部结构以及外界环境有关，其NTC温度节点表征该功率半导体模块内部NTC所在位置的温度，是不受NTC采样延迟影响的温度。

S102、离线状态下测量功率半导体模块内NTC的采样延迟时间。

该NTC的采样延迟时间是指：测量NTC所在位置的温度到结温观测模块(比如下述实施例中所述的闭环结温观测器)接收到NTC温度采样的数字信号这一整个过程的延迟时间τ。对于实际系统，当功率半导体模块内部NTC型号确定，采样电路参数也确定后，该采样延迟时间τ可以基本认为不变。

实际应用中，此步骤的具体过程可以是：在离线状态下，通过NTC采样与高速测温结果进行对比、理论计算以及实验试错中的任意一种方式，测量得到采样延迟时间。

需要说明的是，步骤S101和步骤S102并不仅限于图2所示的先后顺序，也可以互换顺序执行，或者同时执行，只要在执行步骤S103之前均能够完成即可，均在本申请的保护范围内。

S103、根据采样延迟时间，对初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型。

现有技术中进行结温在线估算的方法属于开环计算方法，其参数敏感性与抗干扰能力差，无法确保估算结果的精度；可以考虑采用闭环计算的方法来提高其估算精度，但是，由于实际测量的NTC所在位置的温度相比于初始热阻抗模型上NTC温度节点所表征的温度存在延迟，因此，以实际测量的NTC所在位置的温度直接做闭环反馈，则瞬态过程会带来更大的误差。

本实施例通过为初始热阻抗模型进行一个采样延迟时间下的修正，得到一个修正热阻抗模型，该修正热阻抗模型中带有延迟采样节点，以该延迟采样节点所表征的温度来进行结温的闭环计算，不仅能够提高估算结果的精度，而且能够避免带来瞬态过程的误差。

实际应用中，可以在初始热阻抗模型的基础上，增加一个虚拟的节点NTC’作为该延迟采样节点，如图4所示，其相对于原本的NTC温度节点存在一阶RC延迟，且其延迟时间等于该采样延迟时间τ；另外，虽然新增的节点只影响瞬态过程，但会对主热流路径的功率进行分流，因此，为了不改变该功率半导体模块的热流主传递路径特性，进而避免对其他节点瞬态过程的影响，需要合理设计参数。

假设初始热阻抗模型中NTC温度节点的热容为C₀，修正热阻抗模型的NTC温度节点的热容为C₁，延迟采样节点NTC’的热容为C₂，两节点之间的热阻为R_NTC。若前一级流向NTC温度节点的损耗为P₁，NTC温度节点流向下一级的损耗为P₂，则频域上利用节点平衡公式，对于初始热阻抗模型有：

若令修正后的模型前后节点间损耗传递不变，NTC温度节点表征的温度不变，则NTC温度节点损耗平衡：

且由于延迟环节的存在，满足：

由公式(1)、(2)、(3)可以得到：

由于NTC温度节点热容的滤波，只有低频成分，公式(4)可以进一步简化为：

C₁+C₂＝C₀ (5)

此外，在对结温进行闭环计算的过程中，若实测的NTC温度与延迟采样节点NTC’表征的温度存在误差，等效为在延迟采样节点NTC’处注入补偿损耗，此时NTC温度节点相对于延迟采样节点NTC’的延迟时间由R_NTC与C₁确定。若C₁过大，则补偿效果不明显，若C₁过小，则容易产生振荡，因此，综合考虑后优选取：

则R_NTC由采样延迟时间τ确定：

由上述分析可以得到，步骤S103的具体过程可以如图5中所示，包括：

S201、根据采样延迟时间，计算得到NTC温度节点到延迟采样节点之间的虚拟热阻。

该虚拟热阻的计算公式为：

其中，R_NTC为虚拟热阻，τ为采样延迟时间，C₀为初始热阻抗模型中NTC温度节点的热容。

S202、对NTC温度节点的热容和延迟采样节点的热容进行设置，得到修正热阻抗模型。

该修正热阻抗模型中NTC温度节点的热容C₁和延迟采样节点NTC’的热容C₂，均为初始热阻抗模型中NTC温度节点的热容C₀的一半。

实际应用中，对于初始热阻抗模型的修正，并不仅限于上述设置，只要能够保证补偿效果并避免产生震荡的热容设置以及对应的虚拟热阻设置均在本申请的保护范围内。

本实施例提供的该功率半导体模块的热模型建模方法，在构建功率半导体模块的初始热阻抗模型的基础之上，以离线状态下测量得到的功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间为依据，对初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型，以该修正热阻抗模型进行结温在线闭环观测，由于考虑了NTC采样延迟的影响，能够减小现有技术中NTC采样延迟带来的结温估算误差，相比现有技术提高了结温估算的准确度。并且，采用水冷入水口温度作为参考温度，能够进一步确保估算结果不受采样延迟的影响。另外，无需增加额外的硬件成本，利于推广。

本申请另一实施例还提供了一种功率半导体模块的结温在线估算方法，如图6所示，包括：

S301、根据修正热阻抗模型，搭建功率半导体模块的闭环结温观测器。

该修正热阻抗模型为采用上述实施例所述的功率半导体模块的热模型建模方法得到的模型。该修正热阻抗模型的具体产生过程参见上一实施例即可，此处不再一一赘述。

假设修正热阻抗模型共有m个节点，由于其至少包括功率半导体模块的芯片结、温度参考节点、NTC温度节点和延迟采样节点NTC’，所以m为大于4的正整数；取每个节点的温度作为状态变量x：

系统输入变量u为每个节点的产生的损耗，具体为：

各节点均无损耗时，系统输入变量u为0。

输出变量y为增加的延迟采样节点NTC’的温度，如果将其作为第m个节点，则有：

y＝T_m (10)

对于任意节点i，类似基尔霍夫电流定律，有：进入该节点的损耗总和等于所有离开该节点的损耗总和，则有：

联合所有节点方程写成状态空间方程的标准形式：

其中：

C＝[0 0 … 1] (15)

对于实际的闭环结温观测器，其状态空间方程为：

其中带“∧”上标的表示闭环结温观测器的状态变量与输出变量，不带“∧”上标的表示实际系统RealSystem中的变量，也即：

为闭环结温观测器的状态变量一阶导数，/>

为闭环结温观测器的状态变量，u为闭环结温观测器的输入变量，x为功率半导体模块的状态变量，/>

为闭环结温观测器的输出变量，A为闭环结温观测器的系统矩阵，B为闭环结温观测器的输入矩阵，C为闭环结温观测器的输出矩阵，L为闭环结温观测器的反馈矩阵。

联合公式(12)、(16)，可以得到误差向量：

可以看到，误差信号的动态特性取决于A-LC的特征值，通过零极点配置等方法选取合适的反馈矩阵L，使A-LC的特征值小于预设阈值，进而使得不管初值如何，闭环结温观测器的观测值总会收敛于实际状态值，不仅能够确保闭环系统的稳定性，同时还能提高闭环观测器的相应速度。

由上述内容可知，步骤S301具体为以修正热阻抗模型中各个节点的温度作为状态变量，以修正热阻抗模型中各个节点的产生的损耗P_loss为输入变量，以修正热阻抗模型中延迟采样节点的温度

作为输出变量，搭建闭环结温观测器，得到的闭环结温观测器如图7所示。

S302、根据功率半导体模块的实时损耗功率、NTC采样温度、参考温度以及修正热阻抗模型中各个节点的温度初值，利用闭环结温观测器进行迭代计算，得到修正热阻抗模型中各个节点的实时温度。

根据修正热阻抗模型中每个节点的温度初值，实时输入相应的实时损耗功率、NTC采样温度以及参考温度，就可以利用闭环结温观测器迭代计算各个节点的实时温度，其中就包含了该功率半导体模块这一待测芯片的结温。

实际应用中，该实时损耗功率的计算方法，可以为在线根据工况查表得到，也可以为在线根据电参数计算得到，比如，通过计算功率半导体模块内产生损耗的器件的导通损耗和开关损耗，再以两者之和作为功率半导体模块的实时损耗功率；此处不做具体限定，视其应用环境而定即可。其中，若功率半导体模块中包括IGBT芯片和二极管芯片，则功率半导体模块的芯片结包括两个节点，即IGBT芯片结温节点和二极管芯片结温节点；具体的，在IGBT有电流时，功率半导体模块内产生损耗的器件就是IGBT，此时，功率半导体模块的实时损耗功率即为IGBT芯片结温节点产生的损耗，而二极管芯片结温节点产生的损耗为零；在二极管有电流时，功率半导体模块内产生损耗的器件就是二极管，此时，功率半导体模块的实时损耗功率即为二极管芯片结温节点产生的损耗，而IGBT芯片结温节点产生的损耗为零；在IGBT和二极管均无电流时，IGBT芯片结温节点产生的损耗和二极管芯片结温节点产生的损耗均为零。

该参考温度可以为水冷入水口的温度，具体原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本实施例提供的该闭环结温观测器利用实测得到的NTC采样温度的反馈来进行迭代，能够提高对参数敏感性和抗干扰能力。

本发明另一实施例还提供了一种处理器，用于执行如上述实施例所述的功率半导体模块的热模型建模方法，和/或，如上述实施例所述的功率半导体模块的结温在线估算方法。

两种方法的具体原理和执行过程参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

该处理器可以是任何装置中的处理器，比如电机控制器中的处理器，或者也可以是额外增加的独立处理器，只要是用于功率半导体模块的结温估算的处理器均在本申请的保护范围内。

本发明另一实施例还提供了一种电机控制器，其内部的处理器用于执行如上述实施例所述的功率半导体模块的热模型建模方法，和/或，如上述实施例所述的功率半导体模块的结温在线估算方法。

两种方法的具体原理和执行过程参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，包括：

构建所述功率半导体模块的初始热阻抗模型；

离线状态下测量所述功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间，其中，所述采样延迟时间为：测量所述NTC所在位置的温度到结温观测模块接收到所述NTC温度采样的数字信号这一过程的延迟时间；

根据所述采样延迟时间，对所述初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型。

2.根据权利要求1所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，构建所述功率半导体模块的初始热阻抗模型，包括：

搭建所述功率半导体模块的芯片结到温度参考节点的热阻抗模型，并获取热阻抗模型参数，得到所述初始热阻抗模型。

3.根据权利要求2所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，所述温度参考节点为水冷入水口的温度。

4.根据权利要求2所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，获取热阻抗模型参数，包括：

通过出厂数据接收、仿真或者实验提取中的任意一种方式，获取所述热阻抗模型参数。

5.根据权利要求1所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，离线状态下测量所述功率半导体模块内负温度系数元器件NTC的采样延迟时间，包括：

在离线状态下，通过NTC采样与高速测温结果进行对比、理论计算以及实验试错中的任意一种方式，测量得到所述采样延迟时间。

6.根据权利要求1-5任一所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，根据所述采样延迟时间，对所述初始热阻抗模型进行修正，得到带有延迟采样节点的修正热阻抗模型，包括：

根据所述采样延迟时间，计算得到NTC温度节点到所述延迟采样节点之间的虚拟热阻；

对所述NTC温度节点的热容和所述延迟采样节点的热容进行设置，得到所述修正热阻抗模型。

7.根据权利要求6所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，所述虚拟热阻的计算公式为：

其中，R_NTC为所述虚拟热阻，τ为所述采样延迟时间，C₀为所述初始热阻抗模型中所述NTC温度节点的热容。

8.根据权利要求6所述的功率半导体模块的热模型建模方法，其特征在于，所述修正热阻抗模型中所述NTC温度节点的热容和所述延迟采样节点的热容，均为所述初始热阻抗模型中所述NTC温度节点的热容的一半。

9.一种功率半导体模块的结温在线估算方法，其特征在于，包括：

根据以权利要求1-8任一所述的功率半导体模块的热模型建模方法得到的修正热阻抗模型，搭建所述功率半导体模块的闭环结温观测器；

根据所述功率半导体模块的实时损耗功率、NTC采样温度、参考温度以及所述修正热阻抗模型中各个节点的温度初值，利用所述闭环结温观测器进行迭代计算，得到所述修正热阻抗模型中各个节点的实时温度。

10.根据权利要求9所述的功率半导体模块的结温在线估算方法，其特征在于，搭建所述功率半导体模块的闭环结温观测器，包括：

以所述修正热阻抗模型中各个节点的温度作为状态变量，以所述修正热阻抗模型中各个节点产生的损耗为输入变量，以所述修正热阻抗模型中延迟采样节点的温度作为输出变量，搭建所述闭环结温观测器。

11.根据权利要求10所述的功率半导体模块的结温在线估算方法，其特征在于，所述闭环结温观测器的状态空间方程为：

其中，

为所述闭环结温观测器的状态变量一阶导数，/>

为所述闭环结温观测器的状态变量，u为所述闭环结温观测器的输入变量，x为所述功率半导体模块的状态变量，/>

为所述闭环结温观测器的输出变量，A为所述闭环结温观测器的系统矩阵，B为所述闭环结温观测器的输入矩阵，C为所述闭环结温观测器的输出矩阵，L为所述闭环结温观测器的反馈矩阵；且：

C＝[0，0，1]；

A-LC的特征值小于预设阈值。

12.一种电机控制器，其特征在于，包括处理器，用于执行如权利要求1-8任一所述的功率半导体模块的热模型建模方法，和/或，如权利要求9-11任一所述的功率半导体模块的结温在线估算方法。

Images