CN113343447A - 一种低电压穿越工况下的igbt结温估算方法、系统及介质 - Google Patents

一种低电压穿越工况下的igbt结温估算方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法、系统及介质，方法包括：将变流器的功率曲线以瞬态畸变功率持续时间tLVRT为时间粒度进行离散，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；通过连续化处理得到连续热网表达；将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到重构热网络模型；基于重构热网络模型计算IGBT模块结温。与现有技术相比，本发明通过离散‑连续‑离散的方式，得到了低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型，再基于重构热网络模型计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温，能够在小时间尺度下估测IGBT模块的暂态结温，提高了低电压穿越工况下IGBT模块的结温快速检测能力，为改进低电压穿越策略提供结温依据。

Description

一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及一种IGBT结温预测方法，尤其是涉及一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法、系统及介质。
背景技术
IGBT模块是变流器的核心器件，直接影响变流器的运行可靠性，结温是IGBT模块的一个状态参量，模块运行时的结温水平对模块运行安全至关重要。公开号为CN110569529A的中国发明专利公开了一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，提高了热网络模型结温估计的准确性，公开号为CN111931402A的中国发明专利公开了一种焊料老化状态下IGBT模块结温估计方法，基于Cauer热网络模型与反馈结温实时估计IGBT模块结温，但是，这些结温估计方法未考虑低电压穿越工况下变流器IGBT模块的结温状况。
低电压穿越即当电网发生故障引起电网电压跌落时，新能源发电机组需要维持一段时间与电网连接而不解列，并在这一段过程中向电网提供一定的无功功率，以支持电网电压的恢复，直至电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间或区域。新能源发电机组在低电压穿越过程中，发电机组输入输出功率失衡及电压跌落瞬间过大的暂态反电动势，使得变流器的IGBT模块承受高电压、过电流，导致IGBT结温升高，带来了模块过温失效隐患；而且结温大幅波动产生的热应力也是导致焊料层失效和铝键合线脱落的主要原因，造成IGBT模块可靠性降低；同时，新能源发电机组在电网电压三相不对称跌落的情况下，要保证暂态过程结束后机组在不对称电网下高性能运行。因此，对新能源发电机组低电压穿越过程中IGBT模块的结温变化规律进行研究，对制定合理有效的结温抑制策略及提升风电机组变流器运行过程中的可靠性有重要意义。
现有技术中，王志浩等在太阳能学报上发表了“双馈风电机组低电压穿越工况下变流器IGBT结温升高的抑制策略研究”，采用基于电-热耦合模型的传统结温估测技术，研究双馈风电机组在低电压穿越工况下IGBT模块的功率损耗和结温变化规律。但是，低电压穿越的时间尺度小至百ms级，在暂态工况下使用传统结温估测技术进行IGBT结温估测时，由于时间尺度失配造成结温估测时滞，估测偏差较大，达到100℃以上，因此，亟需一种小时间尺度下的暂态结温估测技术，以提高突变结温快速检测能力，进而为改进低电压穿越策略提供结温依据。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法、系统及介质，通过离散-连续-离散的方式，得到了低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型，再基于重构热网络模型计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温，能够在小时间尺度下估测IGBT模块的暂态结温，提高了低电压穿越工况下IGBT模块的结温快速检测能力，为改进低电压穿越策略提供结温依据。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，包括以下步骤：
S1：获取IGBT模块的材料特性参数，获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线，测量得到瞬态畸变功率持续时间tLVRT，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；
S2：基于IGBT模块各层的材料特性参数，以及IGBT模块各层所对应的离散功率，计算IGBT模块的能量损耗，得到与功率曲线匹配的连续热网表达；
S3：将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型；
S4：基于重构热网络模型，计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温。
进一步的，步骤S1包括以下步骤：
S11：获取IGBT模块的材料特性参数，包括IGBT模块中各层的热导率、比热、密度、暂态热阻和暂态热容，所述IGBT模块包括7层：芯片、芯片焊层、上铜层、陶瓷层、下铜层、基板焊层和基板；
S12：获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线；
S13：计算IGBT模块中各层的热时间常数，计算公式如下：
τi＝Ri×Ci
其中，τi表示IGBT模块第i层的热时间常数，Ri表示IGBT模块第i层的暂态热阻，Ci表示IGBT模块第i层的暂态热容；
S14：将热时间常数τ1-τ7作为匹配边界，利用τ1-τ7构建封闭分布的时间窗，将功率曲线依时序铺满时间窗；
S15：当采集到低电压穿越过程中的畸变功率信号时，采用畸变功率离散策略，测量得到瞬态畸变功率持续时间tLVRT，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散；
S16：根据离散功率在时间窗内的落点，建立离散功率与IGBT模块各层的热时间常数的索引关系，找到当前时刻与离散功率匹配的IGBT模块层以及该层的材料特性参数。
更进一步的，步骤S2中，IGBT模块的能量损耗Eloss的计算公式如下：
Figure BDA0003082729550000031
Figure BDA0003082729550000032
Figure BDA0003082729550000033
其中，Pi_loss表示第i层所对应的离散功率，ti表示离散功率在第i层的时间间隔，ki为第i层的热导率，ci为第i层的比热，ρi为第i层的密度，Ri为第i层的暂态热阻，Ci为第i层的暂态热容，di_1为离散功率在第i层的传热初始坐标，di_2为离散功率在第i层的传热终点坐标，Ai(r)为第i层的传热面积。
更进一步的，基于热传导理论，通过异质材料热导率的比值描述传热面积Ai(r)：Ai(r)＝(ai+2rtanθi)·(bi+2rtanθi)
Figure BDA0003082729550000034
其中，ai和bi分别表示传热面积的长和宽，r表示厚度，x、y、z分别表示x轴、y轴、z轴，θi表示第i层内热传递方向与z轴的夹角，ki表示第i层的热导率，T表示温度。
更进一步的，结合瞬态畸变功率持续时间tLVRT求解di_1与di_2的差值：
Figure BDA0003082729550000041
更进一步的，通过仿真IGBT模块边界的热流密度确定传热面积Ai(r)：
Figure BDA0003082729550000042
其中，Ji(r)表示IGBT模块第i层的热流密度。
进一步的，步骤S3具体为：将功率曲线中离散功率的时间粒度同步于步骤S2中的连续热网持续时长，对连续热网进行重新离散化，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型。
进一步的，步骤S4具体为：运用基于重构热网的分层温升累加手段，通过以下公式表示暂态工况下IGBT模块结温的计算模型：
Figure BDA0003082729550000043
其中，Tj(t+m·tLVRT)和Tc(t+m·tLVRT)分别表示在t+m·tLVRT时刻IGBT模块结温和IGBT模块壳温，Ploss(i)表示步骤S3中得到的重构热网络模型中IGBT模块第i层的离散功率，Ploss(j·tLVRT)表示步骤S3中得到的重构热网络模型中IGBT模块第i层经过j个tLVRT时间后的离散功率，n、m分别表示结-壳重构热网层数、壳-环境重构热网层数。
一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算系统，包括：
第一处理单元，获取IGBT模块的材料特性参数，获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散，tLVRT为测量得到的瞬态畸变功率持续时间，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；
第二处理单元，基于IGBT模块各层的材料特性参数，以及IGBT模块各层所对应的离散功率，计算IGBT模块的能量损耗，得到与功率曲线匹配的连续热网表达；
第三处理单元，将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型；
结温计算单元，基于第三处理单元得到的重构热网络模型，计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有可执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法。
与现有技术相比，本发明通过离散-连续-离散的方式，得到了低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型，再基于重构热网络模型计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温，能够在小时间尺度下估测IGBT模块的暂态结温，提高了低电压穿越工况下IGBT模块的结温快速检测能力，为改进低电压穿越策略提供结温依据。
附图说明
图1为低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法的流程图；
图2为功率曲线与热时间常数在时间窗内顺序匹配的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
实施例1：
一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取IGBT模块的材料特性参数，获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线，测量得到瞬态畸变功率持续时间tLVRT，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；
S2：基于IGBT模块各层的材料特性参数，以及IGBT模块各层所对应的离散功率，计算IGBT模块的能量损耗，得到与功率曲线匹配的连续热网表达；
S3：将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型；
S4：基于重构热网络模型，计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温。
一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算系统，包括：
第一处理单元，获取IGBT模块的材料特性参数，获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散，tLVRT为测量得到的瞬态畸变功率持续时间，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；
第二处理单元，基于IGBT模块各层的材料特性参数，以及IGBT模块各层所对应的离散功率，计算IGBT模块的能量损耗，得到与功率曲线匹配的连续热网表达；
第三处理单元，将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型；
结温计算单元，基于第三处理单元得到的重构热网络模型，计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温。
一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有可执行的计算机程序，计算机程序被执行时实现低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法。
步骤S1包括以下步骤：
S11：获取IGBT模块的材料特性参数，包括IGBT模块中各层的热导率、比热、密度、暂态热阻和暂态热容，IGBT模块包括7层：芯片、芯片焊层、上铜层、陶瓷层、下铜层、基板焊层和基板，各层的材料特性和热学参数有所不同，需要分别确定。
S12：获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线；
S13：计算IGBT模块中各层的热时间常数，计算公式如下：
τi＝Ri×Ci
其中，τi表示IGBT模块第i层的热时间常数，Ri表示IGBT模块第i层的暂态热阻，Ci表示IGBT模块第i层的暂态热容；
S14：将热时间常数τ1-τ7作为匹配边界，利用τ1-τ7构建封闭分布的时间窗，将功率曲线依时序铺满时间窗；
S15：当采集到低电压穿越过程中的畸变功率信号时，采用畸变功率离散策略，测量得到瞬态畸变功率持续时间tLVRT，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散；
S16：根据离散功率在时间窗内的落点，建立离散功率与IGBT模块各层的热时间常数的索引关系，找到当前时刻与离散功率匹配的IGBT模块层以及该层的材料特性参数。
大功率在暂态的低电压穿越过程中，可以认为依次穿过IGBT模块的各层，导致每一层升温，本申请采用实时功率曲线与IGBT模块热时间常数顺序匹配的思路，如图2所示，各层的热时间常数之和形成一个封闭的“时间窗口”，同时功率损耗Ploss的时间序列在该时间窗口内滑动，如果对功率时序进行极短时间的离散，离散功率在“时间窗口”的落点即对应热流在多层IGBT模块内抵达的位置，每一个位置对应一组暂态的热阻、热容，IGBT模最终的结温数值应为全部离散功率与暂态热阻乘积的累加。
在完成功率曲线以tLVRT为时间粒度的时间离散的基础上，为能使极小时间功率与热网参数实现时间尺度的一一对应，本申请对传统离散热网结构做连续化处理，即步骤S2，再将功率曲线中离散功率的时间粒度同步于步骤S2中的连续热网持续时长，对连续热网进行重新离散化，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型。
步骤S2中，IGBT模块的能量损耗Eloss的计算公式如下：
Figure BDA0003082729550000071
Figure BDA0003082729550000072
Figure BDA0003082729550000073
其中，Pi_loss表示第i层所对应的离散功率，ti表示离散功率在第i层的时间间隔，ki为第i层的热导率，ci为第i层的比热，ρi为第i层的密度，Ri为第i层的暂态热阻，Ci为第i层的暂态热容，di_1为离散功率在第i层的传热初始坐标，di_2为离散功率在第i层的传热终点坐标，Ai(r)为第i层的传热面积，可以看出连续化热网关键在于di_1、di_2、Ai(r)的求解。
di_1和di_2的差值可以通过瞬态畸变功率持续时间tLVRT求解：
Figure BDA0003082729550000074
传热面积Ai(r)的确定方式有两种，一种是基于Fourier传热定律，一种是基于热流密度曲线拟合。
(一)基于热传导理论，通过异质材料热导率的比值描述传热面积Ai(r)：Ai(r)＝(ai+2rtanθi)·(bi+2rtanθi)
Figure BDA0003082729550000081
其中，ai和bi分别表示传热面积的长和宽，r表示厚度，x、y、z分别表示x轴、y轴、z轴，θi表示第i层内热传递方向与z轴的夹角，ki表示第i层的热导率，T表示温度。
(二)通过仿真IGBT模块边界的热流密度确定传热面积Ai(r)：
Figure BDA0003082729550000082
其中，Ji(r)表示IGBT模块第i层的热流密度。
计算得到di_1和di_2的差值、传热面积后Ai(r)，代入能量损耗Eloss的计算公式，得到连续的能量损耗值。
步骤S3具体为：将功率曲线中离散功率的时间粒度同步于步骤S2中的连续热网持续时长，对连续热网进行重新离散化，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型，在重构热网络模型中，IGBT模块每一层所对应的离散功率被重构。
经过离散-连续-离散的过程，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型，再在步骤S4中，运用基于重构热网的分层温升累加手段，通过以下公式表示暂态工况下IGBT模块结温的计算模型：
Figure BDA0003082729550000083
其中，Tj(t+m·tLVRT)和Tc(t+m·tLVRT)分别表示在t+m·tLVRT时刻IGBT模块结温和IGBT模块壳温，Ploss(i)表示步骤S3中得到的重构热网络模型中IGBT模块第i层的离散功率，Ploss(j·tLVRT)表示步骤S3中得到的重构热网络模型中IGBT模块第i层经过j个tLVRT时间后的离散功率，n、m分别表示结-壳重构热网层数、壳-环境重构热网层数，是已知值。
本发明通过离散-连续-离散的方式，得到了低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型，再基于重构热网络模型计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温，能够在小时间尺度下估测IGBT模块的暂态结温，提高了低电压穿越工况下IGBT模块的结温快速检测能力，为改进低电压穿越策略提供结温依据。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取IGBT模块的材料特性参数，获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线，测量得到瞬态畸变功率持续时间tLVRT，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；
S2：基于IGBT模块各层的材料特性参数，以及IGBT模块各层所对应的离散功率，计算IGBT模块的能量损耗，得到与功率曲线匹配的连续热网表达；
S3：将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型；
S4：基于重构热网络模型，计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温。
2.根据权利要求1所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
S11：获取IGBT模块的材料特性参数，包括IGBT模块中各层的热导率、比热、密度、暂态热阻和暂态热容，所述IGBT模块包括7层；
S12：获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线；
S13：计算IGBT模块中各层的热时间常数，计算公式如下：
τi＝Ri×Ci
其中，τi表示IGBT模块第i层的热时间常数，Ri表示IGBT模块第i层的暂态热阻，Ci表示IGBT模块第i层的暂态热容；
S14：将热时间常数τ1-τ7作为匹配边界，利用τ1-τ7构建封闭分布的时间窗，将功率曲线依时序铺满时间窗；
S15：当采集到低电压穿越过程中的畸变功率信号时，采用畸变功率离散策略，测量得到瞬态畸变功率持续时间tLVRT，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散；
S16：根据离散功率在时间窗内的落点，建立离散功率与IGBT模块各层的热时间常数的索引关系，找到当前时刻与离散功率匹配的IGBT模块层以及该层的材料特性参数。
3.根据权利要求2所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，步骤S2中，IGBT模块的能量损耗Eloss的计算公式如下：
Figure FDA0003082729540000021
Figure FDA0003082729540000022
Figure FDA0003082729540000023
其中，Pi_loss表示第i层所对应的离散功率，ti表示离散功率在第i层的时间间隔，ki为第i层的热导率，ci为第i层的比热，ρi为第i层的密度，Ri为第i层的暂态热阻，Ci为第i层的暂态热容，di_1为离散功率在第i层的传热初始坐标，di_2为离散功率在第i层的传热终点坐标，Ai(r)为第i层的传热面积。
4.根据权利要求3所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，结合瞬态畸变功率持续时间tLVRT求解di_1与di_2的差值：
Figure FDA0003082729540000024
其中，tLVRT表示瞬态畸变功率持续时间。
5.根据权利要求3所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，通过仿真IGBT模块边界的热流密度确定传热面积Ai(r)：
Figure FDA0003082729540000025
其中，Ji(r)表示IGBT模块第i层的热流密度。
6.根据权利要求3所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，基于热传导理论，通过异质材料热导率的比值描述传热面积Ai(r)：
Ai(r)＝(ai+2r tanθi)·(bi+2r tanθi)
Figure FDA0003082729540000026
其中，ai和bi分别表示传热面积的长和宽，r表示厚度，x、y、z分别表示x轴、y轴、z轴，θi表示第i层内热传递方向与z轴的夹角，ki表示第i层的热导率，T表示温度。
7.根据权利要求1所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，步骤S3具体为：将功率曲线中离散功率的时间粒度同步于步骤S2中的连续热网持续时长，对连续热网进行重新离散化，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型。
8.根据权利要求1所述的一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算方法，其特征在于，步骤S4具体为：运用基于重构热网的分层温升累加手段，通过以下公式表示暂态工况下IGBT模块结温的计算模型：
Figure FDA0003082729540000031
其中，Tj(t+m·tLVRT)和Tc(t+m·tLVRT)分别表示在t+m·tLVRT时刻IGBT模块结温和IGBT模块壳温，Ploss(i)表示步骤S3中得到的重构热网络模型中IGBT模块第i层的离散功率，Ploss(j·tLVRT)表示步骤S3中得到的重构热网络模型中IGBT模块第i层经过j个tLVRT时间后的离散功率，n、m分别表示结-壳重构热网层数、壳-环境重构热网层数。
9.一种低电压穿越工况下的IGBT结温估算系统，其特征在于，基于如权利要求1-8中任一所述的IGBT结温估算方法，包括：
第一处理单元，获取IGBT模块的材料特性参数，获取变流器的实时输入功率，即低电压穿越过程中的畸变功率，得到变流器的实时输入功率的功率曲线，将功率曲线以tLVRT为时间粒度进行离散，tLVRT为测量得到的瞬态畸变功率持续时间，将离散功率与IGBT模块各层的热时间常数相匹配；
第二处理单元，基于IGBT模块各层的材料特性参数，以及IGBT模块各层所对应的离散功率，计算IGBT模块的能量损耗，得到与功率曲线匹配的连续热网表达；
第三处理单元，将离散功率与连续热网表达进行匹配，得到与低电压穿越时间尺度相匹配的重构热网络模型；
结温计算单元，基于第三处理单元得到的重构热网络模型，计算低电压穿越工况下的IGBT模块结温。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有可执行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-8中任一所述的IGBT结温估算方法。
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