CN111024260A - 一种功率半导体器件热点温度估计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种功率半导体器件热点温度估计方法，计算功率半导体器件的平均功率损耗，结合该平均功率损耗，基于功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；进而基于参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，并根据计算的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值，估计功率半导体器件的热点温度。由此保证所估计的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，无需逆变器在正常模式和降额控制模式之间反复切换，减少对逆变器的损耗；并且在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，仍能够保证所估计出的热点温度准确性较高。

Description

一种功率半导体器件热点温度估计方法和装置

技术领域

本申请涉及电力电子器件温度估计领域，特别是涉及一种功率半导体器件热点温度估计方法和装置。

背景技术

随着人们环保意识的不断提高，传统低效率、高能耗的产品已逐渐被基于变频技术的产品取代，现如今基于变频技术的产品已被广泛地应用于日常生活的各个领域中。

变频技术实现的关键在于功率半导体器件，目前功率半导体器件主要向高功率密度、高利用率方向发展，这种发展趋势对功率半导体器件的散热系统要求较高，并且对于功率半导体器件来说，其主要的失效模式为热失效。由此可见，为了保证功率半导体器件具有较高的可靠性和较长的使用寿命，需要合理的热管理方法对功率半导体器件内部芯片的热点温度进行在线监控，即对芯片的最高温度进行在线监控，以便根据功率半导体内部芯片的温度相应地进行温度管理。

现有的用于监控功率半导体器件热点温度的方法主要有红外热成像法、基于接触式测温芯片的测量法以及基于功率半导体器件功率损耗、热阻网络以及冷却液温度的温度模型方法。

其中，红外热成像法和基于接触式测温芯片的测量法均需要在打开功率半导体器件外壳的条件下，测量功率半导体器件的热点温度，这样可能会对功率半导体器件造成损坏，并且不适用于在实际应用中对功率半导体器件的热点温度进行实时监控。而基于功率半导体器件功率损耗、热阻网络以及冷却液温度的温度模型方法将功率半导体器件的瞬时结温作为监控温度，该瞬时结温波动较大，会导致逆变器随着该瞬时结温的波动在“正常模式”和“降额控制模式”之间反复切换，由此将影响逆变器的性能；另外，由于该瞬时结温是基于瞬时功率和瞬时热阻的乘积得到的，当发生逆变器冷却水道堵塞、冷却水流速发生巨大变化或功率半导体器件老化等情况时，热阻网络的参数将会发生变化，由此对功率半导体器件瞬时结温计算的准确性产生影响。

综上所述，现有的用于监控功率半导体器件热点温度的方法均存在测量不准确，不适用于在实际应用中监控功率半导体器件的热点温度等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种功率半导体器件热点温度估计方法及装置，保证所估计的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，减少对逆变器的损耗；并且即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，所估计出的热点温度仍具有较高的准确性。

本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种功率半导体器件热点温度估计方法，所述方法包括：

计算功率半导体器件的平均功率损耗；

基于所述功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；

基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值；

根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度。

可选的，所述基于估计的功率半导体器件热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿，包括：

利用所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述热阻网络，根据功率热阻网络法获得所述估计的热参考点冷却水温度；

将测温电阻放置于热参考点测量冷却水温度，获得所述实测的热参考点冷却水温度；

根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿。

可选的，所述根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿，包括：

利用所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，按照式(1)对热阻网络进行线性补偿：

Zth2(t)＝(TNTC-Tw2)/(TNTC-Tw1)×Zth1(t)

其中，Zth2(t)为补偿后的所述热阻网络的参数，Zth1(t)为补偿前的所述热阻网络的参数，Tw1为所述估计的热参考点冷却水温度，Tw2为所述实测的热参考点冷却水温度，TNTC为所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度。

可选的，所述计算功率半导体器件的平均功率损耗，包括：

利用标准SVPWM调制波数学模型、逆变器主电路交流电流信息、功率半导体器件参数、开关频率、逆变器主电路直流母线电压信息以及当前结温信息，计算所述功率半导体器件的平均功率损耗。

可选的，所述标准SVPWM调制波数学模型用于计算所述功率半导体器件的占空比，所述标准SVPWM调制波数学模型是在SPWM调制波基础上叠加三次谐波生成的。

可选的，所述基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温，包括：

利用参数补偿后的所述热阻网络、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度，计算所述功率半导体器件的平均结温。

可选的，所述基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的结温波动的峰峰值，包括：

利用参数补偿后的所述热阻网络、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及逆变器主电路的交流电流频率信息，计算所述功率半导体器件的结温波动的峰峰值。

可选的，所述根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度，包括：

通过叠加所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，获得所述功率半导体器件的热点温度。

第二方面，本申请实施例提供了一种功率半导体器件热点温度估计装置，所述装置包括：

平均功率损耗计算模块，用于计算功率半导体器件的平均功率损耗；

热阻网络补偿模块，用于基于所述功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；

结温计算模块，用于基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值；

热点温度计算模块，用于根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度。

可选的，所述热阻网络补偿模块包括：

冷却水温度估计单元，用于利用所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述热阻网络，根据功率热阻网络法获得所述估计的热参考点冷却水温度；

冷却水温度实测单元，用于将测温电阻放置于热参考点测量冷却水温度，获得所述实测的热参考点冷却水温度；

线性补偿单元，用于根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿。

由上述技术方案可以看出，本申请提供的功率半导体器件热点温度估计方法中，基于功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，估计功率半导体器件的热点温度，能够保证所估计出的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，逆变器根据该光滑连续、波动较小的热点温度的变化曲线对功率半导体器件的温度进行控制时，无需在“正常模式”和“降额控制模式”之间反复切换，由此减少了对逆变器的损耗；另外，本申请的功率半导体器件热点温度估计方法是基于参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值的，因此，即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，仍能够保证计算出的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值具有较高的准确性，进而保证根据平均结温和结温波动峰峰值估计出的热点温度具有较高的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种功率半导体器件热点温度估计方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种热阻网络参数补偿方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种四阶局部热网络模型的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种功率半导体器件热点温度估计装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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做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。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例除了能够以在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请提供了一种功率半导体器件热点温度估计方法，保证所估计的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，由此随着热点温度的变化逆变器无需在“正常模式”和“降额控制模式”反复切换，减少对逆变器的损耗；另外，即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，利用该功率半导体器件热点温度估计方法所估计出的热点温度仍具有较高的准确性。

下面对本申请提供的功率半导体器件热点温度估计方法的核心技术思路进行介绍：

本申请提供的功率半导体器件热点温度估计方法中，首先计算功率半导体器件的平均功率损耗，然后结合该平均功率损耗，基于功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；进而基于参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，根据计算得到的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值，估计功率半导体器件的热点温度。

在本申请提供的功率半导体器件热点温度估计方法中，基于功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，估计功率半导体器件的热点温度，能够保证所估计出的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，逆变器根据该光滑连续、波动较小的热点温度的变化曲线对功率半导体器件的温度进行控制时，无需在“正常模式”和“降额控制模式”之间反复切换，由此减少了对逆变器的损耗；另外，本申请的功率半导体器件热点温度估计方法是基于参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值的，因此，即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，仍能够保证计算出的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值具有较高的准确性，进而保证根据平均结温和结温波动峰峰值估计出的热点温度具有较高的准确性。

下面以实施例的方式对本申请提供的功率半导体器件热点温度估计方法进行介绍：

参见图1，图1为本申请实施例提供的功率半导体器件热点温度估计方法的流程示意图。为了便于描述，在本申请实施例中以功率半导体器件为绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模块为例，对本申请实施例提供的功率半导体器件热点温度估计方法进行说明，应理解，本申请中的功率半导体器件并不仅限于IGBT模块，还可以为金属氧化半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)等其他功率半导体器件。如图1所示，该功率半导体器件热点温度估计方法包括：

步骤101：计算功率半导体器件的平均功率损耗。

计算功率半导体器件的平均功率损耗时，需要基于标准空间矢量脉宽调制(SpaceVector Pulse Width Modulation，SVPWM)策略计算，利用标准SVPWM调制波数学模型、逆变器主电路交流电流信息、IGBT模块参数、开关频率、逆变器主电路直流母线电压信息以及当前结温信息，计算所述功率半导体器件的平均功率损耗。

具体计算IGBT模块的平均功率损耗时，需要结合IGBT模块的平均导通损耗和IGBT模块平均开关损耗进行计算。

计算IGBT模块的平均导通损耗时，在SPWM调制波上叠加三次谐波生成标准SVPWM调制波数学模型，利用该标准SVPWM调制波数学模型计算IGBT模块的占空比；通过查看芯片手册获取IGBT模块参数，进而获知IGBT及二极管在不同电流、不同温度下的导通电压；通过实时采样获取逆变器主电路交流电流信息。进而，结合该导通电压、IGBT模块的占空比与逆变器主电路交流电流信息，在一个基频周期内对其乘积进行积分获得IGBT模块的平均导通损耗，该基频周期为逆变器处于正常工作模式时，三相交流电流的周期。

需要说明的是，在传统的SPWM调制波上叠加三次谐波生成的SVPWM调制波数学模型拟合精度较高，除此之外，还可以采用其他方法对SVPWM策略进行拟合，例如，在SPWM调制波的基础上同时叠加三次谐波和五次谐波，但是这种拟合方法会额外占用大量的计算资源，同时拟合精度较为有限，因此通常采用在SPWM调制波上叠加三次谐波的方式生成SVPWM调制波数学模型。

需要说明的是，IGBT模块中包括IGBT和二极管，计算IGBT模块的平均导通损耗时，需要对IGBT和二极管的平均导通损耗分别进行计算。

具体计算IGBT平均导通损耗的公式如式(1)所示：

其中，P_cond，I为IGBT的平均导通损耗，V_ce0为IGBT导通压降的阈值电压，r_ce为IGBT导通压降的通态斜率电阻，I_s为三相交流电流相电流的有效值，m为调制度，

为功率因数。

具体计算二极管平均导通损耗的公式如式(2)所示：

其中，P_cond，D为二极管的平均导通损耗，V_F0为二极管导通压降的阈值电压，r_F为二极管导通压降的通态斜率电阻，I_s为三相交流电流相电流的有效值，m为调制度，

为功率因数。

计算IGBT模块平均开关损耗时，通过查看芯片手册获取IGBT模块参数，进而获知IGBT及二极管的开通损耗以及关断损耗；通过实时采样获取主电路母线电压。进而将开通损耗、关断损耗、主电路母线电压与交流电流结合起来，在一个基频周期内对其乘积进行积分获得IGBT模块的平均开关损耗，该基频周期为逆变器处于正常工作模式时，三相交流电流的周期。

可以理解的是，由于IGBT模块中包括IGBT和二极管，因此，在计算IGBT模块的平均开关损耗时，需要对IGBT和二极管的平均开关损耗分别进行计算

具体计算IGBT平均开关损耗的公式如式(3)所示：

其中，P_sw，I为IGBT的平均开关损耗，f_sw为IGBT模块的开关频率，E_on为IGBT在每个开关周期内的开通损耗，E_off为IGBT在每个开关周期内的关断损耗，I_p为三相交流电路相电流幅值，U_DC为主电路母线电压，I_nom为IGBT模块标称电流，U_nom为IGBT模块标称电压。

具体计算二极管平均开关损耗的公式如式(4)所示：

其中，P_sw，D为二极管的平均开关损耗，f_sw为IGBT模块的开关频率，E_rec为二极管每个开关周期的反向恢复损耗，I_p为三相交流电路相电流幅值，U_DC为主电路母线电压，I_nom为IGBT模块标称电流，U_nom为IGBT模块标称电压。

计算获得IGBT模块的平均导通损耗和IGBT模块平均开关损耗后，将该IGBT模块的平均导通损耗和IGBT模块平均开关损耗相加后，即可获得IGBT模块的平均功率损耗。

步骤102：基于所述功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿。

获取到功率半导体器件的平均功率损耗后，建立功率半导体器件内部测温电阻相对于热参考点的热阻网络，进而结合步骤101中的功率半导体器件的平均功率损耗、热阻网络以及功率半导体器件内部测温电阻测温温度，根据电热耦合型“功率热阻网络法”估计功率半导体器件热参考点冷却水的温度。

利用放置在热参考点的测温电阻对热参考点冷却水的温度进行实际测量，进而基于上述估计的热参考点冷却水温度以及该实测的热参考点冷却水的温度，对热阻网络参数进行补偿。

具体对热阻网络参数进行补偿的方法将在下一实施例中做具体介绍，详细参见下一实施例的相关描述。

步骤103：基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值。

对热阻网络进行参数补偿后，基于该参数补偿后的热阻网络，结合步骤101中计算得到的功率半导体器件的平均功率损耗，计算功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值。

计算IGBT模块的平均结温时，利用参数补偿后的热阻网络、IGBT模块的平均功率损耗以及实测的热参考点冷却水温度，计算IGBT模块的平均结温。具体的，利用步骤102中计算得到的热阻网络补偿系数对IGBT芯片相对于热参考点的热阻网络进行参数补偿，进而根据该参数补偿后的热阻网络以及IGBT模块的平均功率损耗，计算IGBT模块内部芯片的平均温升，将此平均温升与实测的热参考点冷却水的温度叠加后，即可得到IGBT模块内部芯片的平均结温。

具体计算IGBT模块内部芯片的平均温升的公式如式(5)所示：

ΔT_I＝(P_I*Zth_{IH_IH}+P_D*Zth_{DH_IH}+P_I*Zth_{IL_IH}+P_D*Zth_{DL_IH})*((TNTC-

Tw2)/(TNTC-Tw1))(5)

其中，ΔT_I为IGBT模块补偿后的平均温升，(TNTC-Tw2)/(TNTC-Tw1)为热阻网络的补偿系数，P_I为IGBT的平均功率损耗，其取值为P_cond，I和P_SW，I之和；P_D为二极管平均功率损耗，其取值为P_cond，D和P_SW，D之和。

计算IGBT模块结温波动的峰峰值时，利用参数补偿后的热阻网络、IGBT模块的平均功率损耗以及逆变器主电路的交流频率信息，计算IGBT模块结温波动的峰峰值。具体的，采集主电路交流电流的频率，根据该主电路交流电流的频率对参数补偿后的IGBT模块热阻网络参数进行查表，以获得瞬时电阻，进而将该瞬时电阻与IGBT模块的平均功率损耗相乘即可获得IGBT模块内部芯片结温波动的峰峰值。

步骤104：根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度。

根据在步骤103中计算得到的功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，即可计算获得功率半导体器件的热点温度。

具体实现时，可以通过对IGBT模块的平均结温与IGBT模块内部芯片结温波动的峰峰值进行叠加计算，获得IGBT模块的热点温度。

在本申请提供的功率半导体器件热点温度估计方法中，基于功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，估计功率半导体器件的热点温度，能够保证所估计出的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，逆变器根据该光滑连续、波动较小的热点温度的变化曲线对功率半导体器件的温度进行控制时，无需在“正常模式”和“降额控制模式”之间反复切换，由此减少了对逆变器的损耗；另外，本申请的功率半导体器件热点温度估计方法是基于参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值的，因此，即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，仍能够保证计算出的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值具有较高的准确性，进而保证根据平均结温和结温波动峰峰值估计出的热点温度具有较高的准确性。

下面结合图2，针对上述步骤102中涉及对热阻网络参数进行补偿的过程进行详细的说明。

参见图2，图2为热阻网络参数补偿方法的流程示意图。为了便于描述，在本申请实施例中仍以IGBT模块为例，对本申请实施例提供的热阻网络参数补偿方法进行说明，应理解，本申请中的功率半导体器件并不仅限于IGBT模块，还可以为MOSFET等其他功率半导体器件。如图2所示，该热阻网络参数补偿方法包括：

步骤201：利用所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述热阻网络，根据功率热阻网络法获得所述估计的热参考点冷却水温度。

获取到功率半导体器件的平均功率损耗后，建立功率半导体器件内部测温电阻相对于热参考点的热阻网络，进而采用“功率热阻网络法”估计热参考点冷却水温度，对于IGBT模块的热阻网络，其主要参数如表1所示：

表1

Zth(℃/W)	IH	DH	IL	DL
					IH(加热源)	Zth<sub>IH_IH</sub>	Zth<sub>IH_DH</sub>	Zth<sub>IH_IL</sub>	Zth<sub>IH_DL</sub>
DH(加热源)	Zth<sub>DH_IH</sub>	Zth<sub>DH_DH</sub>	Zth<sub>DH_IL</sub>	Zth<sub>DH_DL</sub>
					IL(加热源)	Zth<sub>IL_IH</sub>	Zth<sub>IL_DH</sub>	Zth<sub>IL_IL</sub>	Zth<sub>IL_DL</sub>
DL(加热源)	Zth<sub>DL_IH</sub>	Zth<sub>DL_DH</sub>	Zth<sub>DL_IL</sub>	Zth<sub>DL_DL</sub>

其中，IH和DH分别代表IGBT模块中的上桥臂IGBT和二极管，IL和DL分别代表IGBT模块中的下桥臂IGBT和二极管。热阻Zth分为自身热阻和耦合热阻，其下标中的前者代表加热源，后者代表被加热源，例如，自身热阻Zth_{IH_IH}表示上桥臂IGBT因功率损耗而产生的热量给自身带来的温升，耦合热阻Zth_{IH_DH}代表上桥臂IGBT因功率损耗而产生的热量给上桥臂二极管带来的温升。

在IGBT模块中，自身热阻采用四阶局部热网络模型，耦合热阻采用二阶局部热网络模型。

对于四阶局部热网络模型其具体结构如图3所示，其中，R_x、C_x分别代表热阻和热容，P代表功率损耗，ΔT_x代表热阻在功率损耗P的作用下相对于热参考点带来的温升，其中，每个RC并联电路的表达式如式(6)所示：

Rthx＝Rx*(1-e^(-t/(Rx*Cx))) (6)

以热阻Zth_{IH_IH}为例，该热阻Zth_{IH_IH}的表达式如式(7)所示：

ZthIH_IH＝Rth1+Rth2+Rth3+Rth4

＝R1*(1-e^(-t/(R1*C1)))+R2*(1-e^(-t/(R2*C2)))+R3*(1-e^(-t/(R3*C3)))+

R4*(1-e^(-t/(R4*C4))) (7)

相应地，上桥臂IGBT通过热阻Zth_{IH_IH}为自身带来的温升如式(8)所示：

ΔTIH_IH＝PIH*ZthIH_IH (8)

进而，对于同一相来说，IGBT模块因功率损耗而对上桥臂IGBT带来的温升如式(9)所示：

ΔTIH＝ΔTIH_IH+ΔTDH_IH+ΔTIL_IH+ΔTDL_IH

＝PIH*ZthIH_IH+PDH*ZthDH_IH+PIL*ZthIL_IH+PDL*ZthDL_IH (9)

由此，上桥臂IGBT芯片的温度如式(10)所示：

TIH＝ΔTIH+T₀ (10)

其中，T₀为热阻网络热参考点的温度，在本申请中，以IGBT模块冷却水道温度作为热参考点温度。同理，可以按照上述计算上桥臂IGBT芯片温度的方法，计算上桥臂二极管、下桥臂IGBT以及下桥臂二极管的瞬时温度。

由于IGBT模块内部集成有负温度系数(Negative Temperature Coeffcient，NTC)测温电阻，因此，可以通过该NTC测温电阻测量IGBT模块覆铜衬底温度T_NTC。

与上述采用“功率热阻网络法”计算IGBT芯片和二极管芯片相对于冷却水道温度的温升，即相对于热参考点温度的温升类似，IGBT模块覆铜衬底相对于冷却水道温度的温升也可以采用上述“功率热阻网络法”进行计算。

对于覆铜衬底相对于冷却水道的热阻网络，其主要参数如表2所示：

表2

Zth(℃/W)	覆铜衬底
		IH(加热源)	Zth<sub>IH_NTC</sub>
DH(加热源)	Zth<sub>DH_NTC</sub>
		IL(加热源)	Zth<sub>IL_NTC</sub>
DL(加热源)	Zth<sub>DL_NTC</sub>

对于同一相来说，覆铜衬底相对于冷却水道温度的温升计算方法与上述IGBT芯片相对于冷却水道温度温升的计算方法类似，其计算表达式如式(11)所示：

ΔT_NTC＝ΔT_{IH_NTC}+ΔT_{DH_NTC}+ΔT_{IL_NTC}+ΔT_{DL_NTC}

＝P_IH*Zth_{IH_NTC}+P_DH*Zth_{DH_NTC}+P_IL*Zth_{IL_NTC}+P_DL*Zth_{DL_NTC} (11)

由此，可以根据利用NTC测温电阻测得的覆铜衬底的温度以及上述覆铜衬底相对于冷却水道的温升，计算冷却水道的温度，如式(12)所示：

T_w＝T_NTC-ΔT_NTC (12)

其中，T_w为估计的冷却水道的温度，即热参考点冷却水温度，T_NTC为NTC测温电阻测得的覆铜衬底的温度，ΔT_NTC为覆铜衬底相对于冷却水道的温升。

需要说明的是，上述热阻网络中的主要参数均是利用相关设备对多个样本进行测量后得到的。

步骤202：将测温电阻放置于热参考点测量冷却水温度，获得所述实测的热参考点冷却水温度。

将测温电阻放置于热参考点，对冷却水温度进行实际测量，进而获得实测的热参考点冷却水温度。

步骤203：根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿。

经步骤201和步骤202获取到估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度后，结合功率半导体器件内部芯片相对于热参考点的热阻网络参数，利用IGBT内置测温电阻测温温度分别减去实测的冷却水温度和估计的冷却水的温度，从而分别得到实际的内置测温电阻相对于实测的冷却水的温升，以及相对于估计的冷却水的温升，进而利用相对于实测冷却水的温升与相对于估计冷却水的温升的比值作为热阻网络参数补偿系数，进而利用该参数补偿系数对热阻网络参数进行补偿。

具体对热阻网络参数进行补偿的公式如式(13)所示：

Zth2(t)＝(TNTC-Tw2)/(TNTC-Tw1)×Zth1(t) (13)

其中，Zth2(t)为补偿后的热阻网络的参数，Zth1(t)为补偿前的热阻网络的参数，Tw1为估计的热参考点冷却水温度，Tw2为实测的热参考点冷却水温度，TNTC为所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度。

利用上述热阻网络参数补偿方法对热阻网络的参数实时进行补偿，进而基于该参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值的。由此能够保证即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，仍能够计算出具有较高准确性的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值，进而保证根据该平均结温和结温波动峰峰值估计出的热点温度具有较高的准确性。

此外，本申请还提供了一种功率半导体器件热点温度估计装置，参见图4，图4为功率半导体器件热点温度估计装置400的结构示意图，该装置400包括：

平均功率损耗计算模块401，用于计算功率半导体器件的平均功率损耗；

热阻网络补偿模块402，用于基于所述功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；

结温计算模块403，用于基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值；

热点温度计算模块404，用于根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度。

可选的，所述热阻网络补偿模块402中包括：

冷却水温度估计单元，用于利用所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述热阻网络，根据功率热阻网络法获得所述估计的热参考点冷却水温度；

冷却水温度实测单元，用于将测温电阻放置于热参考点测量冷却水温度，获得所述实测的热参考点冷却水温度；

线性补偿单元，用于根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿。

可选的，所述线性补偿单元具体用于：

利用所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，按照下式对热阻网络进行线性补偿：

Zth2(t)＝(TNTC-Tw2)/(TNTC-Tw1)×Zth1(t)

其中，Zth2(t)为补偿后的所述热阻网络的参数，Zth1(t)为补偿前的所述热阻网络的参数，Tw1为所述估计的热参考点冷却水温度，Tw2为所述实测的热参考点冷却水温度，TNTC为所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度。

可选的，所述平均功率损耗计算模块具体用于：

利用标准SVPWM调制波数学模型、逆变器主电路交流电流信息、功率半导体器件参数、开关频率、逆变器主电路直流母线电压信息以及当前结温信息，计算所述功率半导体器件的平均功率损耗。

可选的，所述标准SVPWM调制波数学模型用于计算所述功率半导体器件的占空比，所述标准SVPWM调制波数学模型是在SPWM调制波基础上叠加三次谐波生成的。

可选的，所述结温计算模块具体用于：

利用参数补偿后的所述热阻网络、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及实测的热参考点冷却水温度，计算所述功率半导体器件的平均结温。

可选的，所述结温计算模块具体用于：

利用参数补偿后的所述热阻网络、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及逆变器主电路的交流电流频率信息，计算所述功率半导体器件的结温波动的峰峰值。

可选的，所述热点温度计算模块具体用于：

通过叠加所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，获得所述功率半导体器件的热点温度。

在本申请提供的功率半导体器件热点温度估计装置中，基于功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值，估计功率半导体器件的热点温度，能够保证所估计出的热点温度的变化曲线为一条光滑连续、波动较小的曲线，逆变器根据该光滑连续、波动较小的热点温度的变化曲线对功率半导体器件的温度进行控制时，无需在“正常模式”和“降额控制模式”之间反复切换，由此减少了对逆变器的损耗；另外，本申请的功率半导体器件热点温度估计装置是基于参数补偿后的热阻网络，计算功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值的，因此，即使在功率半导体器件老化、冷却系统参数变化等情况下，仍能够保证计算出的功率半导体器件的平均结温和结温波动的峰峰值具有较高的准确性，进而保证根据平均结温和结温波动峰峰值估计出的热点温度具有较高的准确性。

需要说明的是，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，对于设备及系统实施例而言，由于其基本相似于实施例，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。以上所描述的设备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。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件热点温度估计方法，其特征在于，所述方法包括：

计算功率半导体器件的平均功率损耗；

基于所述功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；

基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值；

根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于估计的功率半导体器件热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿，包括：

利用所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述热阻网络，根据功率热阻网络法获得所述估计的热参考点冷却水温度；

将测温电阻放置于热参考点测量冷却水温度，获得所述实测的热参考点冷却水温度；

根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿，包括：

利用所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，按照下式对热阻网络进行线性补偿：

Zth2(t)＝(TNTC-Tw2)/(TNTC-Tw1)×Zth1(t)

其中，Zth2(t)为补偿后的所述热阻网络的参数，Zth1(t)为补偿前的所述热阻网络的参数，Tw1为所述估计的热参考点冷却水温度，Tw2为所述实测的热参考点冷却水温度，TNTC为所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算功率半导体器件的平均功率损耗，包括：

利用标准SVPWM调制波数学模型、逆变器主电路交流电流信息、功率半导体器件参数、开关频率、逆变器主电路直流母线电压信息以及当前结温信息，计算所述功率半导体器件的平均功率损耗。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述标准SVPWM调制波数学模型用于计算所述功率半导体器件的占空比，所述标准SVPWM调制波数学模型是在SPWM调制波基础上叠加三次谐波生成的。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温，包括：

利用参数补偿后的所述热阻网络、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及实测的热参考点冷却水温度，计算所述功率半导体器件的平均结温。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的结温波动的峰峰值，包括：

利用参数补偿后的所述热阻网络、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及逆变器主电路的交流电流频率信息，计算所述功率半导体器件的结温波动的峰峰值。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度，包括：

通过叠加所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，获得所述功率半导体器件的热点温度。

9.一种功率半导体器件热点温度估计装置，其特征在于，所述装置包括：

平均功率损耗计算模块，用于计算功率半导体器件的平均功率损耗；

热阻网络补偿模块，用于基于所述功率半导体器件估计的热参考点冷却水温度以及实测的热参考点冷却水温度，对热阻网络参数进行补偿；

结温计算模块，用于基于参数补偿后的所述热阻网络，计算所述功率半导体器件的平均结温以及结温波动的峰峰值；

热点温度计算模块，用于根据所述功率半导体器件的平均结温以及所述结温波动的峰峰值，计算所述功率半导体器件的热点温度。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述热阻网络补偿模块包括：

冷却水温度估计单元，用于利用所述功率半导体器件内置测温电阻测得的温度、所述功率半导体器件的平均功率损耗以及所述热阻网络，根据功率热阻网络法获得所述估计的热参考点冷却水温度；

冷却水温度实测单元，用于将测温电阻放置于热参考点测量冷却水温度，获得所述实测的热参考点冷却水温度；

线性补偿单元，用于根据所述估计的热参考点冷却水温度以及所述实测的热参考点冷却水温度，对所述热阻网络进行线性补偿。

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