CN114091286A - 一种基于特性曲线的mmc子模块igbt通态损耗分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，涉及电力电子器件建模与可靠性技术领域。本发明包括步骤：A：基于IGBT器件数据手册，获取IGBT输出特性及二极管正向特性曲线图，并对曲线特性参数进行提取。B：基于最小二乘法对IGBT输出特性及二极管正向特性曲线参数采用对数函数进行拟合分析，获取特性参数关系表达式。C：对周期电流进行分段划分，求解一个周期电流内不同分段区域中对应器件的通态损耗。构建IGBT等效热网络模型。构建IGBT通态损耗及结温迭代估计模型。本技术方案克服了传统基于线性拟合获取导通压降误差较大的问题，综合考虑了器件电流、导通信号及壳温等信息，并结合结温误差迭代，实现了器件损耗估算。

Description

一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件建模与可靠性技术领域，尤其涉及一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法。

背景技术

IGBT通态损耗计算对模块化多电平变换器(MMC)子模块的器件选型、散热设计等分析具有重要意义。目前，IGBT损耗计算主要分为物理方法和数学方法。物理方法主要是通过元器件来简单模拟IGBT内部电路，基于仿真软件搭建模型模拟IGBT的工作特性，获得其电压、电流曲线，从而计算IGBT的损耗。但是这类方法的应用很大程度上受限于物理模型的构建。而数学方法思想主要是构建IGBT损耗数学计算模型，主要基于实验数据，采用某种算法或者拟合公式，生成用来计算不同工作点下的通态功率损耗表达式。数学方法最大优点在于是计算速度快、实时性强，其模型的精度与拟合的方式有关，适合在线计算IGBT通态损耗。

IGBT通态压降的准确测量是保证其通态损耗精确计算的前提。然而IGBT在运行的过程中，往往采用高压探头对集射极电压进行测量，但集射极通态压降和断态压降二者悬殊较大，高压探头无法保证同时对高低电压进行准确测量。故国内外学者多基于IGBT的特性曲线拟合来获取电压电流关系表达式，从而可实现通过测量电流来实现电压的测量。但现有的拟合方法多将IGBT的电压电流关系进行了近似化处理，会给通态损耗计算带来较大误差。此外，温度因素往往也是影响器件运行特性的关键因素，如通态饱和压降会随结温的变化而发生偏移。而现有基于特性曲线的损耗计算方法中对结温数据本身的修正问题考虑不够，使得通态饱和压降的计算不准，从而导致损耗估计误差较大。

综上所述，现有技术的问题在于缺少可以用于准确计算IGBT通态压降及结温迭代修正的方法来实现通态损耗准确计算。因此，需要提供一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗计算方法，以实现IGBT工作可靠性的判断。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，以得到准确的通态损耗目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)基于数据手册进行特性参数提取：基于IGBT数据手册，分别获取IGBT输出特性曲线图和二极管正向特性曲线图，实现IGBT和二极管特性曲线参数提取；

2)特性曲线参数拟合：基于最小二乘法对提取到IGBT输出特性曲线和二极管正向特性参数进行拟合分析，并分别输出IGBT和二极管特性曲线关系表达式；

3)考虑结温迭代的损耗估计：

301)基于MMC子模块的投切模式和电流方向，对周期电流进行分段划分，明确分段区域内电流流经的器件为IGBT还是二极管，求解一个周期电流内不同分段区域中对应器件的通态损耗；

302)基于IGBT模块内部结构特性和电热比拟相关理论，构建IGBT等效热网络模型；

303)将电流、导通信号及壳温等综合信息作为功率损耗模型、热网络模型输入，构建IGBT通态损耗结温迭代估计模型，通过IGBT通态损耗结温迭代估计模型得到估计结温；

4)根据估计结温，得到对应的通态损耗，以判断IGBT的工作可靠性。

作为优选技术手段：在步骤1)中，特性曲线参数提取包括步骤：

101)对IGBT的输出特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位，以X轴参数0.5V/10，即0.05V作为取点步长，依次进行取点操作，实现IGBT输出特性参数提取。

102)对二极管正向特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位，以X轴参数0.5V/10，即0.05V作为取点步长，依次进行取点操作，实现二极管正向特性参数提取。

作为优选技术手段：在步骤2)中，包括步骤：

201)假设IGBT特性曲线函数关系形如下式：

f(x)＝a*log(x)+b*x+c

基于最小二乘法相关理论对IGBT特性曲线中集电极电流I_c和饱和压降V_ce之间的关系进行函数拟合，从而得到IGBT特性曲线表达式如下：

V_ce＝a_(Tj)*log(I_c)+b_(Tj)*I_c+c_(Tj)

式中，a_(Tj)、b_(Tj)、c_(Tj)均为拟合系数。

202)假设二极管特性曲线函数关系形如下式：

f(x)＝d*log(x)+e*x+f

基于最小二乘法相关理论对二极管特性曲线中正向电流I_F和压降V_F之间的关系进行函数拟合，从而得到二极管特性曲线表达式如下：

V_F＝d_(Tj)*log(I_F)+e_(Tj)*I_F+f_(Tj)

式中，d_(Tj)、e_(Tj)、f_(Tj)均为拟合系数。

作为优选技术手段：在步骤301)，采用典型MMC子模块拓扑结构，典型MMC子模块包括两个IGBT、两个二极管及一个电容器C，其中，两个IGBT分别为VT1和VT2，两个二极管分别为VD1和VD2；规定流入子模块的电流I_sm方向为正，反之为负；为方便分析，将MMC子模块在一个电流周期内的投切模式进行划分；

当电流方向为正时，若子模块为投入状态(t₁～t₂)，则电流流经VD1；若子模块为切出状态(t₂～t₃)，则电流流经VT2；当电流方向为负时，若子模块为投入状态(t₃～t₄)，则电流流经VT1；若子模块为切出状态(t₄～t₅)，则电流流经VD2。则子模块在一个电流周期(t₁～t₅)内通态损耗计基于下式进行求解。

IGBT通态损耗：

二极管通态损耗：

总损耗：P_tot＝P_T+P_D

式中，P_T、P_D分别为IGBT、二极管在一个电流周期内的平均通态损耗，P_Tcon、P_Dcon分别为IGBT、二极管的瞬时损耗，I_sm为MMC子模块电流。

作为优选技术手段：在步骤302)中，采用四阶Foster模型来对IGBT模块的热网络进行等效，设R_1-4为结到壳的热阻；C_1-4为结到壳的热容；P_tot为总功率损耗。芯片-管壳的Foster热网络模型可分为四层，故热阻公式可表达如下：

式中，R_i为热网络模型中第i阶的热阻值，t为运行时间，τ_i为时间常数。

综上所述，IGBT模块的结温可表示为

T_j＝P_tot*Z_j-c+T_c

式中，P_tot为IGBT模块总的损耗功率，Z_j-c为结到壳的热阻抗。

作为优选技术手段：在步骤303)中，包括步骤：

3031)设置初始结温为T_j0，结合电流及IGBT特性曲线，求得初始通态压降；

3032)将电流、通态压降、导通信号及壳温信息作为IGBT通态损耗及热网络模型输入，从而实现IGBT结温估计；

3033)将结温估计值T_jest用于修正初始设置值T_j0，实现循环迭代，直到二者误差小于ε，进而输出结温估计值；最终输出的结温可进一步作为损耗求解过程的输入。

作为优选技术手段：设置初始结温T_j0为125℃，误差ε为0.05℃。

有益效果：

本发明提供的技术方案，根据器件特性曲线的准确拟合，实现器件通态压降的函数表达，克服了传统基于线性拟合获取导通压降误差较大的问题。综合考虑了器件电流、导通信号及壳温等信息，并结合结温误差迭代，实现了器件损耗估算。和传统未考虑拟合误差及温度影响的损耗计算方法相比，计算精度提高了5％，可为MMC子模块运行可靠性分析提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例中V_ce-I_c特性参数据提取图。

图2为本发明实施例中V_F-I_F特性参数据提取图。

图3为本发明实施例中V_ce-I_c特性曲线拟合图。

图4为本发明实施例中V_F-I_F特性曲线拟合图。

图5为本发明实施例中MMC子模块拓扑图。

图6为本发明实施例中MMC子模块投切状态图。

图7为本发明实施例中IGBT结构剖面图。

图8本发明实施例中IGBT热阻热容网络模型。

图9本发明实施例中IGBT损耗及结温迭代估计流程。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其包括以下步骤：

A、基于数据手册进行特性参数提取。

A1、对IGBT的输出特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位，以X轴参数0.5V/10(0.05V)作为取点步长，依次进行取点操作，实现IGBT输出特性参数提取，此过程如图1所示。

A2、对二极管正向特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位，以X轴参数0.5V/10(0.05V)作为取点步长，依次进行取点操作，实现二极管正向特性参数提取，此过程如图2所示。

B、特性曲线参数拟合

B1、假设IGBT特性曲线函数关系形如下式：

f(x)＝a*log(x)+b*x+c

基于最小二乘法相关理论对IGBT特性曲线中集电极电流I_c和饱和压降V_ce之间的关系进行函数拟合，此过程如图3所示，从而得到IGBT特性曲线表达式如下：

V_ce＝a_(Tj)*log(I_c)+b_(Tj)*I_c+c_(Tj)

式中，a_(Tj)、b_(Tj)、c_(Tj)均为拟合系数。

B2、假设二极管特性曲线函数关系形如下式：

f(x)＝d*log(x)+e*x+f

基于最小二乘法相关理论对二极管特性曲线中正向电流I_F和压降V_F之间的关系进行函数拟合，此过程如图4所示，从而得到二极管特性曲线表达式如下：

V_F＝d_(Tj)*log(I_F)+e_(Tj)*I_F+f_(Tj)

式中，d_(Tj)、e_(Tj)、f_(Tj)均为拟合系数。

C、考虑结温迭代的损耗估计

C1、通态损耗计算

如图5所示是典型MMC子模块拓扑图，主要由两个IGBT(VT1和VT2)，两个二极管(VD1和VD2)及一个电容器(C)组成，规定流入子模块的电流I_sm方向为正，反之为负。为分析方便，将MMC子模块在一个电流周期内的投切模式进行划分，如图6所示。

当电流方向为正时，若子模块为投入状态(t₁～t₂)，则电流流经VD1；若子模块为切出状态(t₂～t₃)，则电流流经VT2。当电流方向为负时，若子模块为投入状态(t₃～t₄)，则电流流经VT1；若子模块为切出状态(t₄～t₅)，则电流流经VD2。则子模块在一个电流周期(t₁～t₅)内通态损耗计可基于下式进行求解。

IGBT通态损耗：

二极管通态损耗：

总损耗：P_tot＝P_T+P_D

式中，P_T、P_D分别为IGBT、二极管在一个电流周期内的平均通态损耗，P_Tcon、P_Dcon分别为IGBT、二极管的瞬时损耗，I_sm为MMC子模块电流。

C2、热网络模型构建

图7为IGBT模块结构剖面图，可以看出各层之间都是紧密相连的，构成了IGBT散热过程的关键路径，主要包括芯片、焊料层、铜层、陶瓷层、基板、导热膏层及散热器等。为了简化计算，采用四阶Foster模型来对IGBT模块的热网络进行等效，如图8所示。图中R_1-4为结到壳的热阻；C_1-4为结到壳的热容；P_tot为总功率损耗。一般情况下，芯片-管壳的Foster热网络模型可分为四层，热阻公式可表达如下：

式中，R_i为热网络模型中第i阶的热阻值，t为运行时间，τ_i为时间常数。

综上所述，IGBT模块的结温可表示为

T_j＝P_tot*Z_j-c+T_c

式中，P_tot为IGBT模块总的损耗功率，Z_j-c为结到壳的热阻抗。

C3、迭代估计

首先，设置初始结温为T_j0(125℃)，结合电流及IGBT特性曲线，求得初始通态压降。其次，将电流、通态压降、导通信号及壳温等信息作为IGBT通态损耗及热网络模型输入，从而实现IGBT结温估计；最后，将结温估计值T_jest用于修正初始设置值T_j0，实现循环迭代，直到二者误差小于ε(0.05℃)，进而输出结温估计值。最终输出的结温可进一步作为损耗求解过程的输入。IGBT损耗及结温迭代估计流程如图9所示。

D、根据估计结温，得到对应的通态损耗，以判断IGBT的工作可靠性。

以上图1-9所示的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于包括以下步骤：

1)基于数据手册进行特性参数提取：基于IGBT数据手册，分别获取IGBT输出特性曲线图和二极管正向特性曲线图，实现IGBT和二极管特性曲线参数提取；

2)特性曲线参数拟合：基于最小二乘法对提取到IGBT输出特性曲线和二极管正向特性参数进行拟合分析，并分别输出IGBT和二极管特性曲线关系表达式；

3)考虑结温迭代的损耗估计：

301)基于MMC子模块的投切模式和电流方向，对周期电流进行分段划分，明确分段区域内电流流经的器件为IGBT还是二极管，求解一个周期电流内不同分段区域中对应器件的通态损耗；

302)基于IGBT模块内部结构特性和电热比拟相关理论，构建IGBT等效热网络模型；

303)将综合信息作为功率损耗模型、热网络模型输入，构建IGBT通态损耗结温迭代估计模型，通过IGBT通态损耗结温迭代估计模型得到估计结温，综合信息包括电流、导通信号及壳温；

4)根据估计结温，得到对应的通态损耗，以判断IGBT的工作可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于：在步骤1)中，特性曲线参数提取包括步骤：

101)对IGBT的输出特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位，以X轴参数0.5V/10，即0.05V作为取点步长，依次进行取点操作，实现IGBT输出特性参数提取；

102)对二极管正向特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位，以X轴参数0.5V/10，即0.05V作为取点步长，依次进行取点操作，实现二极管正向特性参数提取。

3.根据权利要求2所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于：在步骤2)中，包括步骤：

201)假设IGBT特性曲线函数关系形如下式：

f(x)＝a*log(x)+b*x+c

基于最小二乘法相关理论对IGBT特性曲线中集电极电流I_c和饱和压降V_ce之间的关系进行函数拟合，从而得到IGBT特性曲线表达式如下：

V_ce＝a_(Tj)*log(I_c)+b_(Tj)*I_c+c_(Tj)

式中，a_(Tj)、b_(Tj)、c_(Tj)均为拟合系数；

202)假设二极管特性曲线函数关系形如下式：

f(x)＝d*log(x)+e*x+f

基于最小二乘法相关理论对二极管特性曲线中正向电流I_F和压降V_F之间的关系进行函数拟合，从而得到二极管特性曲线表达式如下：

V_F＝d_(Tj)*log(I_F)+e_(Tj)*I_F+f_(Tj)

式中，d_(Tj)、e_(Tj)、f_(Tj)均为拟合系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于：在步骤301)，采用典型MMC子模块拓扑结构，典型MMC子模块包括两个IGBT、两个二极管及一个电容器C，其中，两个IGBT分别为VT1和VT2，两个二极管分别为VD1和VD2；规定流入子模块的电流I_sm方向为正，反之为负；为方便分析，将MMC子模块在一个电流周期内的投切模式进行划分；

当电流方向为正时，若子模块为投入状态(t₁～t₂)，则电流流经VD1；若子模块为切出状态(t₂～t₃)，则电流流经VT2；当电流方向为负时，若子模块为投入状态(t₃～t₄)，则电流流经VT1；若子模块为切出状态(t₄～t₅)，则电流流经VD2；则子模块在一个电流周期(t₁～t₅)内通态损耗计基于下式进行求解；

IGBT通态损耗：

二极管通态损耗：

总损耗：P_tot＝P_T+P_D

式中，P_T、P_D分别为IGBT、二极管在一个电流周期内的平均通态损耗，P_Tcon、P_Dcon分别为IGBT、二极管的瞬时损耗，I_sm为MMC子模块电流。

5.根据权利要求4所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于：在步骤302)中，采用四阶Foster模型来对IGBT模块的热网络进行等效，设R_1-4为结到壳的热阻；C_1-4为结到壳的热容；P_tot为总功率损耗；芯片-管壳的Foster热网络模型可分为四层，故热阻公式可表达如下：

式中，R_i为热网络模型中第i阶的热阻值，t为运行时间，τ_i为时间常数；

综上所述，IGBT模块的结温可表示为

T_j＝P_tot*Z_j-c+T_c

式中，P_tot为IGBT模块总的损耗功率，Z_j-c为结到壳的热阻抗。

6.根据权利要求5所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于：在步骤303)中，包括步骤：

3031)设置初始结温为T_j0，结合电流及IGBT特性曲线，求得初始通态压降；

3032)将电流、通态压降、导通信号及壳温信息作为IGBT通态损耗及热网络模型输入，从而实现IGBT结温估计；

3033)将结温估计值T_jest用于修正初始设置值T_j0，实现循环迭代，直到二者误差小于ε，进而输出结温估计值；最终输出的结温可进一步作为损耗求解过程的输入。

7.根据权利要求6所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法，其特征在于：设置初始结温T_j0为125℃，误差ε为0.05℃。

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