CN114781216B - 一种高压柔直换流阀igbt模块温度场分布的仿真计算方法与系统 - Google Patents
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Abstract
一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，包括：建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数；基于电路仿真模型，获得IGBT芯片的集电极电流与集射极电压，FRD芯片的正向压降和正向电流；根据IGBT芯片的集电极电流与集射极电压，以及FRD芯片的正向压降和正向电流，分别计算IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗；代入IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗，建立IGBT模块的有限元仿真模型；基于有限元仿真模型，计算得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。本发明的方法计算资源占用少，仿真速度快，仿真精度高。
Description
技术领域
本发明属于换流阀系统领域，更具体的，涉及一种高压柔直换流阀IGBT(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor)模块温度场分布的仿真计算方法与系统。
背景技术
从±800kV锦屏—苏南特高压直流输电工程，到准东—重庆的±1100kV特高压直流输电工程，我国已有十条特高压直流输电线路。随着高压等级不断提升，换流阀厅的尺寸也不断增大。因此对换流阀的状态监测和可靠性分析显得尤为重要，而IGBT模块是换流阀的核心部件，其结温则直接体现了设备的运行状态及稳定情况。
计算IGBT模块结温通常通过电路仿真和解析法，可以使用Simulink或PSCAD等相关软件搭建仿真电路，获得IGBT模块的运行数据，再根据IGBT的结温计算公式使用解析法计算其结温变化情况。然而，这种方法不能得到IGBT模块温度场的空间分布情况。
经过半个多世纪的发展，有限元方法已经成为工程和科学领域中一种功能强大、用途广泛的数值模拟技术。可以使用有限元法计算电力电子器件的温度场分布。其基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，利用控制方程，基于电场与热场的强耦合关系，可获得IGBT温度场分布情况。但耦合过程会占用较多的计算机资源，耗时较长，有时会出现不收敛的情况。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，在计算出电力电子器件的温度场分布的过程中，减少计算机资源占用，提高仿真速度与精度。进而提出一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法与系统。
本发明采用如下的技术方案。
一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数；
步骤S2，基于电路仿真模型，获得IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)；
步骤S3，根据IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，以及FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)，分别计算IGBT芯片的总损耗以及FRD芯片的总损耗；
步骤S4，建立IGBT模块的有限元仿真模型；
步骤S5，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入到有限元仿真模型中；
步骤S6，计算得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。
进一步的，步骤S1中仿真模型的运行参数包括：额定频率、系统等效电抗、子模块电容、桥臂电感、额定容量和额定直流电压。
进一步的，换流阀电路仿真模型使用NLM方式进行调制。
进一步的，步骤S3中IGBT芯片的总损耗Ploss_IGBT为：
Ploss_IGBT＝PSS+PSW
其中，PSS为通态损耗，PSW为开关损耗。
进一步的，通态损耗PSS为：
其中，T为载波周期，D1为IGBT芯片的占空比；所述开关损耗PSW为：
其中，ESW(on)为额定工况下IGBT开通一次损耗的能量；ESW(off)为额定工况下IGBT关断一次损耗的能量；ISN为额定的工作电流；IS为集电极电流ic(t)的峰值，UdcN为额定的直流侧电压；Udc为实际的直流侧电压。
进一步的，所述FRD芯片的总损耗为：
Ploss_FRD＝PDC+Prr
其中，PDC为单个反并联二极管通态损耗，Prr为FRD的开关损耗。
进一步的，单个反并联二极管通态损耗PDC为：
其中，T为载波周期，D2为FRD芯片的占空比；开关损耗Prr为：
式中：EDiode(off)P为额定工况下FRD关断一次损耗的能量，IS为FRD芯片正向电流iF(t)的峰值，UdcN为额定的直流侧电压；Udc为实际的直流侧电压。
进一步的，步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41，绘制IGBT模块的几何模型；
步骤S42，设置有限元仿真模型的求解器和求解方式，其中，求解器为稳态，求解方式为固体传热；
步骤S43，将IGBT模块的几何模型导入到有限元分析软件中；
步骤S44，在有限元分析软件中设置IGBT模块的材料属性；
步骤S45，IGBT模块的几何模型进行网格划分，其中，IGBT模块中的芯片层对应的几何模型利用网格加密工具进行加密处理；
步骤S46，在有限元分析软件中设置边界条件，包括：环境温度、空气自然热对流系数和散热器等效热对流系数。
进一步的，步骤S5具体包括如下步骤：
步骤S51，将有限元仿真模型中的固体传热模块中选择热源形式为热耗率；
步骤S52，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入热耗率中，其中，热耗率的施加域为有限元仿真模型的芯片层。
一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算系统，包括：电路仿真模块、逻辑计算模块与有限元仿真模块；
电路仿真模块用于建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数，并获得IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)；
逻辑计算模块用于根据IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，以及FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)，分别计算IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗；
有限元仿真模块用于根据IGBT型号建立IGBT模块的有限元仿真模型，同时，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入到有限元仿真模型中，以计算得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明采用了一种基于场路联合仿真的有限元算法，将有限元算法与电路仿真相结合。基于IGBT模块电路仿真模型，计算出IGBT模块的损耗值，将损耗值代入有限元仿真模型，利用固体传热模块，算出IGBT模块的温度场分布。计算过程计算机资源占用少，仿真速度快，仿真精度高。
附图说明
图1是一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法的示意图。
图2是本公开实施中的一种有限元仿真模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数，包括额定频率、系统等效电抗、子模块电容、桥臂电感、额定容量和额定直流电压，模型采用最近电平逼近(Nearest Level Modulation，NLM)方式进行调制。通过查询IGBT的技术手册，获得IGBT开通一次损耗的能量ESW(on)，关断一次损耗的能量ESW(off)；以及FRD关断一次损耗的能量EDiode(off)P。
步骤S2，基于电路仿真模型，获得IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)，实际的直流侧电压Udc，IS为ic(t)或iF(t)的峰值(采用NLM时，ic(t)＝iF(t))，开关管的导通时间ton，载波周期T，并通过公式D＝ton/T计算出占空比。
步骤S3，根据IGBT芯片的集电极电流与集射极电压，以及FRD(Fast RecoveryDiode，快恢复二极管)芯片的正向压降和正向电流，分别计算IGBT模块中IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗。其中，IGBT模块中包含IGBT和FRD芯片。
(1)IGBT芯片的损耗
IGBT芯片的损耗包含通态损耗PSS，开关损耗PSW(开关损耗PSW为开通损耗PSW(on)与关断损耗PSW(off)之和)和截止损耗3个部分，其中IGBT的截止损耗很小，二极管的截止损耗和开通损耗很小，可以忽略不计。
对于单个IGBT的通态损耗PSS为：
式中：T为载波周期，D1为IGBT芯片的占空比，VCE(t)为IGBT的集射极电压；ic(t)为IGBT的集电极电流。
假设IGBT的开关频率为fSW，半个周期内开通和关断的次数总和为nsw，则开通次数为nsw/2。单个IGBT的开关损耗PSW为：
式中：ESW(on)为额定工况下IGBT开通一次损耗的能量；ESW(off)为额定工况下IGBT关断一次损耗的能量；ISN为额定的工作电流；IS为集电极电流ic(t)的峰值，UdcN为额定的直流侧电压；Udc为实际的直流侧电压。
IGBT芯片的总损耗为：
Ploss_IGBT＝PSS+PSW
(2)FRD芯片的损耗
对于单个反并联二极管通态损耗PDC为：
式中：vF(t)为FRD正向压降；iF(t)为FRD正向电流，D2为FRD芯片的占空比。
FRD的开关损耗Prr为：
式中：EDiode(off)P为额定工况下FRD关断一次损耗的能量，IS为FRD芯片正向电流iF(t)的峰值，UdcN为额定的直流侧电压；Udc为实际的直流侧电压。
FRD芯片的总损耗为：
Ploss_FRD＝PDC+Prr (5)
步骤S4根据IGBT模块的技术手册建立IGBT模块的有限元仿真模型，有限元模型的建立步骤如下。
(1)绘制几何模型。首先根据所研究IGBT模块的技术手册中，在三维绘图软件Solidworks或Spaceclaim中绘制IGBT的三维几何模型。不同厂家生产的IGBT模块结构有所差异，但所建立的模型应至少包括以下结构：
对于焊接型IGBT而言，自上而下包括芯片层(IGBT芯片和FRD芯片)，芯片焊层，铜镍层1，衬板，铜镍层2，基层焊板和基板；
对于压接型IGBT而言，自上而下包括集电极铜层，集电极钼层，芯片层，发射极钼层，银垫片，底层铜柱和发射极铜层。
(2)求解器选择和求解方式设置。选择模型的求解器为稳态，设置求解方式为固体传热。
(3)导入有限元分析软件。将几何模型另存为*.x_t文件，打开Comsol或ANSYS软件，将*.x_t文件导入软件，将三维几何模型构建成装配体或联合体。
(4)材料属性设置。根据实际情况设置模型不同层的材料属性，其中芯片层的材料应设置成半导体硅。
(5)网格划分。利用软件中的四面体/三角形网格划分工具进行模型的自动网格划分，每个网格呈三角形，有三个顶点。对于所关心的芯片层应利用网格加密工具进行加密处理，以提高求解精度。
(6)边界条件设置。设置环境温度为25℃。由于实际在运高压柔直换流阀中的IGBT模块下方装有散热器，在本方案中通过在基板或发射极铜层表面设置散热器等效热对流系数，热对流系数取值为3500～5000W/(m2·K)。其余没有接触散热器的表面设置空气自然热对流系数10～20W/(m2·K)。
步骤S5代入热源。在Comsol或ANSYS软件的固体传热求解方式中，设置热源形式为热耗率(热源形式包括广义源、线性源和热耗率)。将步骤三中所计算的IGBT芯片总损耗Ploss_IGBT与FRD芯片总损耗Ploss_FRD分别代入热耗率表达式的分子中，热耗率Q0表达式如(6)所示。热耗率的施加域应为有限元仿真模型的芯片层。
Q0＝P0/V (6)
式中，P0为损耗(单位：W)，V为损耗施加域的体积(单位：m3)。需要说明的是，几何模型自带体积属性。
步骤S6求解计算。基于上述步骤，完成完整的模型建立。利用公式(7)对步骤四所划分的每个网格的顶点进行计算，得到每个网格顶点的温度值。完成计算后，在结果中建立三维绘图组，选择绘制表达式为“温度”，即可得到换流阀IGBT模块温度场分布情况图。
式中：q为热通量密度(单位:W/m2)，Q0为单位体积热源(单位:W/m3)，k为导热系数W/(m·K)，T为温度(单位:K)。
注：单位体积热源Q0，又称热耗率，来自步骤五。导热系数k由材料属性决定，来自步骤四。
相应的，本申请还公开了一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算系统，包括：电路仿真模块、逻辑计算模块与有限元仿真模块；
电路仿真模块用于建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数，并获得IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)；
逻辑计算模块用于根据IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，以及FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)，分别计算IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗；
有限元仿真模块用于根据IGBT型号建立IGBT模块的有限元仿真模型，同时，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入到有限元仿真模型中，以计算得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。
实施例分析
电路运行参数如下表所示：
表1电路运行参数
首先，根据表1建立电路仿真模型
然后，获得IGBT模块的导通电流与导通压降波形
然后，将波形分别代入下列公式中
再代入下列式(5)中获得两个芯片的损耗值：
计算IGBT模块中IGBT芯片与FRD芯片的损耗，得到单个IGBT芯片损耗为155W，单个FRD芯片损耗为80W。
然后，建立IGBT模块有限元仿真模型如图2所示。
最后，将IGBT芯片损耗与FRD芯片损耗作为热源代入步骤四建立的IGBT模块有限元仿真模型中，并得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数；
步骤S2，基于电路仿真模型，获得IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)；
步骤S3，根据IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，以及FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)，分别计算IGBT芯片的总损耗以及FRD芯片的总损耗；
IGBT芯片的总损耗Ploss_IGBT为：
Ploss_IGBT＝PSS+PSW
其中，PSS为通态损耗，PSW为开关损耗；
所述通态损耗PSS为：
其中，T为载波周期，D1为IGBT芯片的占空比；
所述开关损耗PSW为：
其中，ESW(on)为额定工况下IGBT开通一次损耗的能量；ESW(off)为额定工况下IGBT关断一次损耗的能量；ISN为额定的工作电流；IS为集电极电流ic(t)的峰值，UdcN为额定的直流侧电压；Udc为实际的直流侧电压；
进一步的，所述FRD芯片的总损耗为：
Ploss_FRD＝PDC+Prr
其中，PDC为单个反并联二极管通态损耗，Prr为FRD的开关损耗；步骤S4，建立IGBT模块的有限元仿真模型；
所述单个反并联二极管通态损耗PDC为：
其中，T为载波周期，D2为FRD芯片的占空比；开关损耗Prr为：
式中：EDiode(off)P为额定工况下FRD关断一次损耗的能量，IS为FRD芯片正向电流iF(t)的峰值，UdcN为额定的直流侧电压；Udc为实际的直流侧电压；
步骤S5，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入到有限元仿真模型中；
步骤S6，计算得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。
2.根据权利要求1所述的一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S1中仿真模型的运行参数包括：额定频率、系统等效电抗、子模块电容、桥臂电感、额定容量和额定直流电压。
3.根据权利要求1所述的一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，其特征在于，换流阀电路仿真模型使用NLM方式进行调制。
4.根据权利要求1所述的一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S41，绘制IGBT模块的几何模型；
步骤S42，设置有限元仿真模型的求解器和求解方式，其中，求解器为稳态，求解方式为固体传热；
步骤S43，将IGBT模块的几何模型导入到有限元分析软件中；
步骤S44，在有限元分析软件中设置IGBT模块的材料属性；
步骤S45，IGBT模块的几何模型进行网格划分，其中，IGBT模块中的芯片层对应的几何模型利用网格加密工具进行加密处理；
步骤S46，在有限元分析软件中设置边界条件，包括：环境温度、空气自然热对流系数和散热器等效热对流系数。
5.根据权利要求1所述的一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括如下步骤：
步骤S51，将有限元仿真模型中的固体传热模块中选择热源形式为热耗率；
步骤S52，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入热耗率中，其中，热耗率的施加域为有限元仿真模型的芯片层。
6.一种高压柔直换流阀IGBT模块温度场分布的仿真计算系统，用于实施权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述系统包括：电路仿真模块、逻辑计算模块与有限元仿真模块；
电路仿真模块用于建立换流阀电路仿真模型，并设置仿真模型的运行参数，并获得IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)；
逻辑计算模块用于根据IGBT芯片的集电极电流ic(t)与集射极电压VCE(t)，以及FRD芯片的正向压降vF(t)和正向电流iF(t)，分别计算IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗；
有限元仿真模块用于根据IGBT型号建立IGBT模块的有限元仿真模型，同时，将IGBT芯片以及FRD芯片的总损耗作为热源代入到有限元仿真模型中，以计算得到换流阀IGBT模块温度场分布情况。
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