CN111293671A - 基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统，包括：计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。本发明能够使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内。

Description

基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统
技术领域
本发明涉及功率器件热保护技术领域，尤其涉及一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
面向新能源电动汽车、智能电网和高性能电驱等应用场合的功率电子系统长期工作在高电压、大电流、强电磁干扰、时变负载、有限散热的恶劣工况下。繁杂的工况变化使得功率器件产生的废热迥异，器件温度也随之大幅波动，进而导致器件之间的应力波动频繁，严重影响器件寿命。由于构成功率器件本体及电力变流装置的各层材料的热膨胀系数并不一致，波动的温度将使器件本体和各层材料出现不同的疲劳退化和磨损现象。如果功率器件因疲劳和磨损带来的失效症状未能及时得到监测并采取有效的处理措施，将威胁到整个系统的安全可靠运行。据调查,大约34％的电力变流系统故障是功率器件失效引起的。因此，研究功率器件的结温估计方法与故障诊断策略对整个电力变流系统的可靠运行有重大意义。
传统的功率器件结温测算方法是基于测算得到的器件功耗、器件壳温和器件的封装热阻，利用公式TJ＝TH+P·Rth计算器件结温，然后在结温超过警戒温度之后对功率器件施加保护，式中：TJ为功率器件结温、TH为器件壳温、P为器件损耗、Rth为器件的封装热阻。
但是，发明人发现，传统的测算方法只能计算功率器件的稳态结温，但实际的结温变化轨迹要比稳态结温变化轨迹复杂得多。而且传统的测算方法计算功率器件结温存在滞后效应，结温发生变化体现到壳温需要经历一个较长的过程，故结温的实际值在很多时候会比计算值高。在实际工程中，为保证功率器件的可靠运行，使用传统的测算方法时，通常在设定结温保护阈值时留出足够的余量，提前对功率器件进行保护。这样的保护机制，无法充分发挥功率器件的物理极限，导致系统成本增高、工作效率降低。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，提出了一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法及系统，结合功率器件功耗变化轨迹和相应的Cauer热阻-热容网络模型，不仅可以预测功率器件在未来一段时间的结温变化轨迹，还可以得到功率器件结温到达警戒温度的时刻；在功率器件结温到达警戒温度的安全时间长度之前对功率器件施加保护。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，包括：
计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；
根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；
根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；
将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。
如果结温变化轨迹没有超过预警温度，将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器，继续正常工作；
如果结温变化轨迹在警戒时间外超过预警温度，则提前预警超过预警温度的时刻，但仍将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器；
如果结温变化轨迹在警戒时间内超过预警温度，则封锁脉冲信号，并启动响应的保护机制，对功率器件施加保护。
本发明方案将功率器件功耗变化轨迹和相应的Cauer热阻-热容网络模型进行结合，能够使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于功率器件结温预测的功率器件热保护与预警系统，包括：
用于计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型的装置；
用于根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹的装置；
用于根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹的装置；
用于将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态的装置。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于模型预测控制和Cauer热网络模型，通过使用实时的测量数据不断重复上述过程更新预测结温的变化轨迹，使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内，充分发挥功率器件的物理极限，更好地提升功率器件的稳定性和工作效率，提高产品的品质，极大地提高电动汽车、微电网和高性能电驱等功率电子系统的可靠性和电能变换效率。
本发明有效克服了传统的解决方案存在的滞后效应，并依据预测结温建立了有效的功率器件热保护与预警机制，充分发挥了功率器件的物理极限，更好地提升了功率器件的稳定性和工作效率，降低了系统成本，极大地提高电动汽车、微电网和高性能电驱等功率电子系统的可靠性和电能变换效率。
附图说明
图1为本发明实施例中Cauer热阻-热容网络模型示意图；
图2为本发明实施例中电热学参数的对应关系；
图3为本发明实施例中IGBT物理层结构；
图4为本发明实施例中结温预测流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，包括以下过程：
计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；
对功率器件建立温度模型，通过计算得到器件内部的温度。根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；
根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；
将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。
具体地，本发明方案基于模型预测控制原理，通过对系统建模，由输入变量和测算所得的状态变量，预测系统未来一段时间内的状态变化轨迹，以最小化代价函数原则选出最优的开关状态。以最优开关状态对应的状态变量计算出系统功耗在未来一段时间的变化轨迹。同时，基于热传导理论、热电比拟原理和功率器件自身的物理结构和属性，建立功率器件Cauer热阻-热容网络模型。将模型预测控制与Cauer热阻-热容网络模型结合，实现功率器件结温预测，并在结温临近警戒温度时对功率器件施加保护。
下面将分别介绍建立Cauer热阻-热容网络模型、预测系统中各状态变量在未来一段时间的变化轨迹和预测功率器件结温的方法及本发明实施例提出的保护策略。
热电比拟原理是热网络模型的基础理论，基于此，以IGBT为例介绍功率器件Cauer热网络模型的建立方法。将IGBT每一层看做热阻与热容并联，层与层之间看做热阻抗串联，IGBT芯片所产生的损耗热量看做热源。Cauer热网络模型如图1所示，图中P(t)为与时间相关的热流参数；Tj点为器件结温；Rth为器件热阻；Cth为器件热容。Cauer热网络模型的热阻和热容参数与器件各层物理结构存在一一对应的关系并且与器件物理结构和属性有关。由热电比拟原理可以得到其Rth和Cth的表达式，其中Rth的表达式为
Figure BDA0002380851260000061
式中：λ为导热系数、d为材料传热方向厚度、A为材料传热有效面积；Cth的表达式为Cth＝cpρdA，式中：cp为比定压热容、ρ为材料密度。因此，基于IGBT各层的物理结构和属性，通过上述两个表达式可以计算得到对应的热阻值和热容值，按照图2将热参数转化为对应的电参数，建立相应的Cauer热网络模型。
IGBT的一般结构构成如图3所示，分别为Si芯片、焊料层、DBC铜层、陶瓷层、DBC铜层、衬底焊料层、基板以及后期进行散热设计时附加的散热器，在获取了IGBT内部各层的物理结构和属性的情况下，可以直接利用Rth和Cth的表达式计算出各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型。
通常而言，IGBT工作温度为25～200℃，对于通用的IGBT结构而言，其主要材料构成为Si、Cu和Al，根据已有的研究报道可知Cu和Al的导热系数在-50～200℃可认为近似保持不变，温度对其影响很小。虽然Si和SiC材料的导热系数受温度影响显著，但根据已有的研究报道可知，Si和SiC材料的导热系数随温度变化产生的变化对最终结温计算结果影响不大，故，我们暂不考虑温度变化对材料属性的影响。因此，在获取了IGBT内部各层的物理结构和属性的情况下，直接利用Rth和Cth的表达式计算出各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型。
但在工程应用中，往往由于多方面因素较难获取IGBT内部各层的物理结构和属性，此时，可借助数据手册中附带的Foster热网络模型参数进行模型转化获得Cauer热网络模型参数，转化方法参考标准JESD 51—14，已有研究报道表明利用该转换方法获得的Cauer热网络模型计算出的结温与实测结果之间的误差在可接受范围内。
模型预测控制的优势在于它可以结合系统模型、代价函数、输入变量、测量装置测算得到的状态变量以及给定的参考变量预测控制变量未来n个时刻的变化轨迹。如图4所示，通过对系统建模，由测量装置测算得到的测量值x(k)利用预测模型可以计算得到未来n个时刻的状态变量x(k+1),x(k+2),...,x(k+n)，通过给定的参考变量x*(k+1),x*(k+2),...,x*(k+n)利用代价函数
Figure BDA0002380851260000071
以及相关的限制条件计算出最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量。利用最小化代价函数对应的未来n个时刻的状态变量计算出未来n个时刻功耗即热流参数P(t)的变化轨迹。
通过Cauer热网络模型的各层热阻和热容值可以计算得到功率器件等效热阻抗：
Figure BDA0002380851260000081
其中C1、R1、C2、R2......Cn、Rn分别为各层对应的热阻值和热容值。通过测算得到壳温TH，由于散热装置温度的时间常数远大于控制系统的采样周期，因此假设壳温在下一个测量时刻之前保持不变。通过公式TJ(t)＝TH+P(t)·Zt'hJC利用壳温TH、等效热阻抗Zt'hJC和热流参数P(t)的变化轨迹可以计算得到功率器件的结温的变化轨迹。将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，如果在警戒时间内超过预警温度，则封锁脉冲信号，并启动响应的保护机制，对功率器件施加保护；如果在警戒时间外超过预警温度，则提前预警超过预警温度的时刻但仍将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器，继续正常工作；如果没有超过预警温度，将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器，继续正常工作。新的测量时刻到达之后，利用测量装置测算得到新的测量值，重新开始上述操作，利用最新的测算得到状态变量预测未来n个时刻的状态变量，计算最小化代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，然后计算新的热流参数P(t)，结合最新的测量壳温预测结温变化轨迹，判断功率器件是否工作在安全的温度范围内。
对于不同的拓扑，开关状态的种类和计算方法有所不同；对于不同的应用，被控制的变量的种类与个数也不同，这些要求均可通过调整代价函数各项的权重系数来满足；对于图4对应的变换器可以采用任意电力电子拓扑，相数也不受限制；对于图4对应的负载可以是电机、电网或任何其他的有源或无源负载；对于上述过程中涉及到的被控制的变量可以是任何一种可能的操作计算出的开关状态、电压或电流；由于预测过程中涉及到的多步长预测的计算量问题已有球形解码等优化算法可以有效解决，故对此不再赘述。
本发明基于模型预测控制和Cauer热网络模型，通过使用实时的测量数据不断重复上述过程更新预测结温的变化轨迹，使得能在预测结温达到警戒温度的安全时间内，提前对功率器件施加保护，确保功率器件工作在安全的温度范围内，充分发挥功率器件的物理极限，更好地提升功率器件的稳定性和工作效率，提高产品的品质，极大地提高电动汽车、微电网和高性能电驱等功率电子系统的可靠性和电能变换效率。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于功率器件结温预测的功率器件热保护与预警系统，包括：
用于计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型的装置；
用于根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹的装置；
用于根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹的装置；
用于将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态的装置。
上述装置的具体实现方法与实施例一中公开的方法相同，不再赘述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、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，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。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申请的范围。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，包括：
计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；
根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹；
根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹；
将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态。
2.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型，具体为：
获取功率器件内部各层的物理结构和属性，利用热阻和热容公式直接计算出各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型；
或者，
借助数据手册中附带的Foster热网络模型参数进行模型转化获得Cauer热网络模型参数。
3.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，所述最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，具体为：
对功率器件建立温度模型，计算得到器件内部的温度，计算未来n个时刻的状态变量，通过给定的参考变量，利用代价函数，考虑设定的限制条件，计算出最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量。
4.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹，具体为：
通过Cauer热网络模型的各层热阻和热容值，计算得到功率器件等效热阻抗；
利用测算得到的壳温、等效热阻抗和热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹。
5.如权利要求4所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，所述功率器件的结温变化轨迹具体为：
TJ(t)＝TH+P(t)·Z'thJC
其中，TH为壳温、Z'thJC为等效热阻抗，P(t)为热流参数。
6.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态，具体为：
如果结温变化轨迹没有超过预警温度，将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器，继续正常工作；
如果结温变化轨迹在警戒时间外超过预警温度，则提前预警超过预警温度的时刻，但仍将最小化代价函数对应的最优状态应用到功率变换器；
如果结温变化轨迹在警戒时间内超过预警温度，则封锁脉冲信号，并启动响应的保护机制，对功率器件施加保护。
7.如权利要求1所述的一种基于结温预测的功率器件热保护与预警方法，其特征在于，新的测量时刻到达后，重新确定功率器件的结温变化轨迹，判断功率器件是否工作在安全的温度范围内。
8.一种基于功率器件结温预测的功率器件热保护与预警系统，其特征在于，包括：
用于计算功率器件内部各层对应的热阻热容，建立相应的Cauer热网络模型的装置；
用于根据最小代价函数对应的未来n个时刻的状态变量，计算出未来n个时刻功耗，即热流参数的变化轨迹的装置；
用于根据Cauer热网络模型以及热流参数的变化轨迹，计算得到功率器件的结温变化轨迹的装置；
用于将计算出的结温变化轨迹与预警温度比较，确定功率器件当前的工作状态的装置。
9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的基于结温预测的功率器件热保护与预警方法。
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Application publication date: 20200616

Assignee: NANJING SHUMAI POWER INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: SHANDONG University

Contract record no.: X2021370000014

Denomination of invention: Thermal protection and early warning method and system for power devices based on junction temperature prediction

Granted publication date: 20210108

License type: Common License

Record date: 20210430