CN116148624A - 一种在线igbt结温测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线IGBT结温测量方法，基于二极管钳位式三电平并网逆变器PQ控制模型。根据器件数据手册，通过设置断点在matlab文件中建立IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、FWD通态损耗、FWD反向恢复损耗数据表，在simulink中建立2D/3D插值表，通过输入电压、电流及结温信号获得对应功率损耗。将RC热网络等效为状态空间表达式，通过输入、输出以及状态变量将RC热网络等效为数学模型，通过电热耦合模型获取结温。本发明获取数据过程方便，计算过程简单，在结温获取过程中迭代速度快，精度较高。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种在线IGBT结温测量方法。
背景技术
IGBT兼并MOSFET输入阻抗高、开关速度快和GTR输出阻抗低、耐高压的优点而成为电力电子领域的理想开关，被广泛应用在诸如功率变换器、电机驱动等各种大功率场合。随着变换器自身温升、散热条件和工作环境的限制，IGBT结温不断升高、器件的热失效现象越来越严重，进一步影响系统效率、威胁系统的稳定运行。因此建立IGBT的温度模型并准确预测器件结温具有重要意义。IGBT模块结温获取方法主要可以分为实验探测法和模拟分析法两类。
实验测量IGBT结温方法主要分为热成像法、热电偶、热敏参数法等。热成像法的原理是根据器件内部的热辐射来判断器件的温度分布，该方法可得到IGBT的瞬态结温，但需要破坏IGBT模块封装。热电偶法收到响应速度和安装不便两方面的局限，因此这类方法在IGBT模块结温的实时测量中实用性不强。相比之下，热敏参数法无需破坏器件结构且无需附加设备，具有更好的可操作性和适用性，但当温度范围变化较大时，器件的热敏参数定标困难。上述分析可知，虽然实验探测法有一定准确性，但由于目前温度测量技术及IGBT模块封装结构、实际使用条件等的限制，使得该方法成本高昂、条件苛刻，应用范围严重受限。
模拟分析IGBT结温方法主要可分为两类：有限元法（Finite Element Method,FEM）和RC热网络法。有限元法主要采用ANSYS软件，基于器件物理结构对IGBT及散热系统进行建模分析。FEM的数值及算法需要较精确的网格划分及边界条件控制，在建模过程中需要先通过一定的实验修正所建模型，且该方法需要很多的计算资源，不适用于长时间运行工况分析。RC热网络法简单易行且适用于电热联合仿真，适合工程上电热耦合分析的需求，因此在工况下的IGBT模块结温计算得到了广泛应用。IGBT结温计算通常可分为功率损耗计算和RC热网络两部分。其中功率损耗计算中一般采用基于损耗曲线的线性拟合方法，RC热网络采用基于Foster的等效热网络，将以上两部分通过电热耦合方式得到结温数据。但该方法具有拟合参数选取困难、收敛速度慢、精度不准确等特点。
发明内容
本发明提供了一种IGBT结温在线测量方法，采用查表法计算功率损耗，并采用状态空间方程等效RC热网络，克服了采用损耗曲线拟合方法参数选取困难的特点，同样具有收敛速度快，精度高等特点。
本发明公开的一种在线IGBT结温测量方法，包括以下步骤：
步骤一，建立二极管钳位式三电平逆变器并网PQ控制模型；
步骤二，通过采集IGBT及二极管的电压电流通过查表法计算损耗；通过数据手册中提取数据断点，在matlab文件中建立插值表，并通过simulink建立2D/3D插值模块，当采用不同IGBT模块时，设计并切换不同插值表，或对插值表进行多断点拟合，提高损耗计算精度；
步骤三，通过Foster模型四阶RC热网络建立状态空间方程，通过将损耗输入，实现电热耦合，获取结温；在状态空间方程等效中，针对四阶RC热网络，通过KVL和KCL重新定义状态空间方程的系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵和直接传递矩阵，且将该数学模型应用于电热耦合过程中；
其中总电压通过状态空间方程表示为：
其中A 4×4为系统矩阵，B 4×2为输入矩阵，C 2×4为输出矩阵，D 2×2为直接传递矩阵，状态变量x(t)表示不同热阻和热容之间的温差，系统输入u(t)=[T c(t),P loss (t)]，系统输出y(t)=[T J (t),P loss (t)]，其中P loss (t)为功耗，T c(t)为壳温，T J (t)为结温输出，C1为第一热容，C2为第二热容，C3为第三热容，C4为第四热容，R1为第一热阻，R2为第二热阻，R3为第三热阻，R4为第四热阻。
进一步地，步骤一包括：
S1. 基于二极管钳位式变流器拓扑，采用功率外环、并网电流内环的控制结构，e a、e b、e c为电网电压；功率外环采集电网电压U和并网电流I，经过PQ计算模块得到功率实测值，与给定值P ref和Q ref分别作差经PI环节得到电流内环给定值i dref、i qref；
S2. 并网电流经坐标变换得到dq0坐标系电流i d、i q，分别与i dref、i qref做差，经过PI补偿环节和前馈解耦环节得到d轴和q轴电压参考值u d *、u q *，经坐标反变换和PWM调制环节，得到开关管的开通关断信号，从而保证逆变器按功率给定值向电网输送功率。
进一步地，步骤S1包括：
S1.1 通过PQ模块得到功率实测值，其中PQ模块的计算公式为：
其中，P为有功功率，Q为无功功率，u a、u b、u c为相电压瞬时值，i a、i b、i c为相电流瞬时值，u bc、u ca、 u ab为线电压瞬时值，通过上式，根据瞬时电压电流获得功率实测值；
S1.2 为获取功率外环对应的电流内环给定值i dref、i qref，将功率实测值转换为dq0坐标系，根据等幅值Clarke坐标变换公式将abc坐标系转换为
坐标系，计算公式为：
将
坐标系转换为dq0坐标系，计算公式为：
通过上式，功率实测值可表示为：
其中，u d、u q和i d、i q分别表示dq0坐标系下的电压和电流，对于网侧而言，i q=0，故上式简化为：
此时电流内环给定值i dref、i qref分别表示为：
其中，P ref和Q ref分别为有功功率和无功功率的给定值，S为视在功率，k p和k i分别为比例积分环节的比例项和积分项，通过上述步骤，可获得电流内环给定值i dref、i qref。
进一步地，步骤S2包括：
S2.1 为获取电压参考值u d *、u q *，需解耦，由于dq0坐标系下电压输出为：
L为电感值，
为角频率，此时u d表达式中包含
，u q表达式中包含
的耦合项；
S2.2 在dq0坐标系下，并网逆变器数学模型中存在d轴和q轴之间的耦合分量，通过引入前馈量进行解耦，计算公式为：
通过上式消除了d轴和q轴分量之间的耦合；电压基准u dref和u qref通过坐标反变换和PWM模块得到功率器件的开关信号，保证逆变器输出的功率遵循给定的参考值。
进一步地，步骤二包括：
S3. 通过数据手册建立有关IGBT损耗计算内容的matlab文件；
S4. 通过2D/3D查表法获取IGBT和反并联二极管的对应损耗；
其中步骤S3包括：
S3.1 确定需要计算的损耗，损耗包括IGBT的功率损耗和反并联二极管FWD的功率损耗两部分；由于IGBT的截止损耗，FWD的截止损耗和开通损耗在总损耗中占比很小，故IGBT的功率损耗仅计算通态损耗和开关损耗，其中开关损耗包括开通损耗和关断损耗，FWD的功率损耗仅计算通态损耗和反向恢复损耗；
S3.2 IGBT的通态损耗计算：
IGBT的通态损耗P con_loss_IGBT在数值上等于开关管在导通时，加在开关管集电极和发射极两端的电压v ce和器件的集电极电流i c两者的乘积，公式为：
基于两种温度(25℃、125℃)下vce-ic输出特性曲线计算IGBT器件的导通损耗；
通态损耗查表文件采用基于25℃和125℃的两条特性曲线，结温变量为1*2矩阵，集电极电流采用1*14矩阵，集射极电压采用2*14矩阵，分别对应两条温度曲线的两组变量；
S3.3 IGBT的开关损耗计算：
IGBT的开关损耗包括开通损耗E on和关断损耗E off两部分，都是瞬间产生的损耗；IGBT在一个开关周期1/f sw内的开关损耗，由IGBT在开通或关断瞬间相互重叠的电压v ce(t)和电流i c(t)相乘并对时间t进行积分得到，IGBT的开关损耗如下式：
S3.4 FWD的通态损耗及关断损耗计算：
IGBT模块中二极管Diode的通态损耗是器件处于导通状态时电压vf和电流if的乘积，表达式为：
采用线性插值的方法得到其他未知温度下的二极管导通电压和电流，从而计算在任意温度下二极管通态损耗；因为二极管的开通损耗远小于它的反向恢复损耗，所以将二极管的反向恢复损耗Err近似看作它的开关损耗，即只计算二极管在关断过程中由重叠电压电流产生的损耗，得到如下二极管开关损耗的表达式：
基于数据手册的特征曲线，设置Matlab文件中变量数据内容，包括FWD对应通态损耗，FWD对应反向恢复损耗，结温，二极管电流if=800A对应反向恢复损耗，不同二极管电流if对应的典型反向恢复损耗，反向恢复损耗第二行对应125℃特性曲线，反向恢复损耗第一行对应25℃特性曲线。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明首先通过对IGBT数据手册中的特性曲线进行提取，在matlab文件中建立插值数据表，根据插值表在simulink中建立插值模块计算损耗。其次，通过四阶RC热网络建立状态空间方程，通过电热耦合将损耗与物理模型联系，得到测量结温。作为模拟分析法，本发明克服了实验探测法中成本高昂、条件苛刻，应用范围受限等特点，在结温测量中不必依靠特殊设备，具有较高的工程应用价值。同时相比于有限元法，本发明不需要通过实验修正所建模型，不需要较多计算资源，避免了获取器件内部物理结构、力学性能过程的复杂性，具有获取数据过程方便，计算过程简单的特点。在损耗计算中，相比于参数拟合法，查表法不需要提取较复杂的温度修正系数，并且适用性强，便于应用普及。在结温获取过程中，相比于原本的RC热网络法，通过建立状态空间方程的等效RC热网络法具有结温迭代速度快，精度高的特点。
附图说明
图1为本发明提供的二极管钳位式三电平并网逆变器PQ控制结构图；
图2为本发明提供的IGBT关于vce-ic的输出特性曲线图；
图3为本发明提供的IGBT开关损耗特性曲线图；
图4为本发明提供的FWD关于vf-if的输出特性曲线图；
图5为本发明提供的FWD开关损耗特性曲线图；
图6为本发明提供的IGBT通态损耗2D插值表；
图7为本发明提供的FWD通态损耗2D插值表；
图8为本发明提供的25℃对应IGBT开通损耗3D插值表；
图9为本发明提供的25℃对应IGBT关断损耗3D插值表；
图10为本发明提供的25℃对应FWD反向恢复损耗3D插值表；
图11为本发明提供的功率计算模块；
图12为本发明提供的等效热阻抗网络；
图13为本发明提供的瞬态热阻抗曲线；
图14为本发明提供的四阶RC等效热网络；
图15为本发明提供的状态空间方程模型；
图16为本发明提供的热模型；
图17为本发明提供的壳温模块；
图18为本发明提供的电热耦合模块；
图19采用本发明结温预测结果；
图20采用IPOSIM仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
本发明公开的在线IGBT结温测量方法，基于二极管钳位式三电平并网逆变器PQ控制模型。根据器件数据手册，通过设置断点在matlab文件中建立IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、FWD通态损耗、FWD反向恢复损耗数据表，在simulink中建立2D/3D插值表，通过输入电压、电流及结温信号获得对应功率损耗。进一步将RC热网络等效为状态空间表达式，通过输入、输出以及状态变量将RC热网络等效为数学模型，通过电热耦合模型获取结温。该算法克服了实验探测法中成本高昂、条件苛刻，应用范围受限等特点，具有获取数据过程方便，计算过程简单的特点，并且在结温获取过程中具有迭代速度快，精度较高的特点。本发明的步骤如下：
步骤一，建立二极管钳位式三电平逆变器并网PQ控制模型；
步骤二，通过采集IGBT及二极管的电压电流通过查表法计算损耗；
步骤三，通过Foster模型四阶RC热网络建立状态空间方程，通过将损耗输入，实现电热耦合，获取结温。
进一步的，步骤一包括：
S1. 基于二极管钳位式变流器拓扑，采用功率外环、并网电流内环的控制结构如图1所示，e a、e b、e c为电网电压，VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；C1为第一电容、C2为第二电容，C为第三电容，L为电感，Da1为第一IGBT模块中的二极管，Da2为第二IGBT模块中的二极管，Da3为第三IGBT模块中的二极管，Da4为第四IGBT模块中的二极管，Db1为第五IGBT模块中的二极管，Db2为第六IGBT模块中的二极管，Db3为第七IGBT模块中的二极管，Db4为第八IGBT模块中的二极管，Dc1为第九IGBT模块中的二极管，Dc2为第十IGBT模块中的二极管，Dc3为第十一IGBT模块中的二极管，Dc4为第十二IGBT模块中的二极管。Va1是第一IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Va2是第二IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Va3是第三IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Va4是第四IGBT模块集电极和发射极两端的电压；Vb1是第五IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Vb2是第六IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Vb3是第七IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Vb4是第八IGBT模块集电极和发射极两端的电压；Vc1是第九IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Vc2是第十IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Vc3是第十一IGBT模块集电极和发射极两端的电压，Vc4是第十二IGBT模块集电极和发射极两端的电压；dq/abc为dq0坐标系到abc坐标系转换环节，abc/dq为abc坐标系到dq0坐标系转换环节。功率外环采集电网电压U和并网电流I，经过PQ计算模块得到功率实测值，与给定值P ref和Q ref分别作差经PI环节得到电流内环给定值i dref、i qref。
S2. 并网电流经坐标变换得到dq0坐标系电流i d、i q，分别与i dref、i qref做差，经过PI补偿环节和前馈解耦环节得到电压参考值u d *、u q *，经坐标反变换和PWM调制环节，即可得到开关管的开通关断信号，从而保证逆变器按功率给定值向电网输送功率。
进一步的，S1包括：
S1.1 通过PQ模块得到功率实测值，其中PQ模块的计算公式为：
其中u a、u b、u c为相电压瞬时值，i a、i b、i c为相电流瞬时值，u bc、u ca、 u ab为线电压瞬时值，通过上式可通过瞬时电压电流获得功率实测值。
S1.2 为获取功率外环对应的电流内环给定值i dref、i qref，需将功率实测值转换为dq0坐标系，根据等幅值Clarke坐标变换公式可将abc坐标系转换为
坐标系，计算公式为：
进一步的，将
坐标系转换为dq0坐标系，计算公式为：
通过上式，功率实测值可表示为：
其中，u d、u q和i d、i q分别表示dq0坐标系下的电压和电流，对于网侧而言，i q=0，故上式可简化为：
此时电流内环给定值i dref、i qref分别可表示为：
其中，P ref和Q ref分别为有功功率和无功功率的给定值，k p和k i分别为比例积分环节的比例项和积分项，通过上述步骤，可获得电流内环给定值i dref、i qref。
进一步的，S2包括：
S2.1 为获取电压参考值u d *、u q *，需解耦，由于dq0坐标系下电压输出为：
L为电感值，
为角频率，此时u d表达式中包含
，u q表达式中包含
的耦合项。
S2.2 在dq0坐标系下，并网逆变器数学模型中存在d轴和q轴之间的耦合分量，可通过引入前馈量进行解耦，该公式为：
通过上式消除了d轴和q轴分量之间的耦合。电压基准u dref和u qref通过坐标反变换和PWM模块得到功率器件的开关信号，保证逆变器输出的功率遵循给定的参考值。
进一步的，步骤二包括：
S3. 通过数据手册建立有关IGBT损耗计算内容的matlab文件；
S4. 通过2D/3D查表法获取IGBT和反并联二极管的对应损耗；
进一步的，S3包括：
S3.1 首先确定需要计算的损耗，损耗包括IGBT的功率损耗和反并联二极管（FWD）的功率损耗两部分。由于IGBT的截止损耗，FWD的截止损耗和开通损耗在总损耗中占比很小，故IGBT的功率损耗仅计算通态损耗和开关损耗，其中开关损耗包括开通损耗和关断损耗，FWD的功率损耗仅计算通态损耗和反向恢复损耗。
S3.2 IGBT的通态损耗计算：
IGBT的通态损耗P con_loss_IGBT在数值上等于开关管在导通时，加在开关管集电极和发射极两端的电压v ce和器件的集电极电流i c两者的乘积，公式为：
可以基于数据手册上通常给出的两种温度(25℃、125℃)下vce-ic输出特性曲线来计算IGBT器件的导通损耗，IGBT的输出特性曲线如图2所示，图中Tvj为温度。
Matlab文件中可设置变量数据内容为：
Tj_OnState=[ 25 125 ];
ic_OnState = [ 0 1 46 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 1100 1200 ];
vce_OnState=[0 0.70 0.99 1.13 1.435 1.685 1.92 2.165 2.385 2.625 2.863.365 3.64 3.89; 0 0.70 0.87 1.14 1.36 1.535 1.685 1.83 2.00 2.14 2.3 2.612.765 2.91 ];
通态损耗查表文件采用基于25℃和125℃的两条特性曲线，结温变量为1*2矩阵，集电极电流采用1*14矩阵，集射极电压采用2*14矩阵，分别对应两条温度曲线的两组变量。
S3.3 IGBT的开关损耗计算：
IGBT的开关损耗包括开通损耗E on和关断损耗E off两部分，都是瞬间产生的损耗，IGBT的开关损耗特性曲线如图3。IGBT在一个开关周期（1/f sw）内的开关损耗，在数值上是由IGBT在开通或关断瞬间相互重叠的电压v ce(t)和电流i c(t)相乘并对时间t进行积分得到，IGBT的开关损耗如下式：
基于数据手册的特征曲线，Matlab文件中可设置变量数据内容为：
Tj_800A= [ 25 125 ]; % 结温℃；
Eon_800A= [ 160 250 ]; % 集电极电流ic=800A对应开通损耗；
Eoff_800A= [ 220 300 ]; % 集电极电流ic=800A对应关断损耗；
% 不同电流ic对应的典型开通损耗
Vcc_Eon= 900;
Tj_Eon= [ 25 125 ];
ic_Eon= [ 0 200 400 500 690 800 900 1000 1100 1200 1300 1440 15501620 ];
% 开通损耗第二行对应125℃特性曲线
Eon(2,:)= [ 0 73.4 100 140 200 250 300 350 410 480 550 650 750 810];
% 开通损耗第一行对应25℃特性曲线，可通过插值得到
Eon(1,:)=Eon_800A(1)/Eon_800A(2) * Eon(2,:);
% 不同电流ic对应的典型关断损耗
Vcc_Eoff= 900;
Tj_Eoff= [ 25 125 ];
ic_Eoff= [ 0 200 400 500 690 800 900 1000 1100 1200 1300 1440 15501620 ];
% 关断损耗第二行对应125℃特性曲线
Eoff(2,:)= [ 0 99.7 161 192 255 300 335 372 413 451 497 558 608 640];
% 关断损耗第一行对应25℃特性曲线，可通过插值得到
Eoff(1,:)=Eoff_800A(1)/Eoff_800A(2) * Eoff(2,:);
S3.4 FWD的通态损耗及关断损耗计算：
IGBT模块中二极管Diode的通态损耗也是器件处于导通状态时电压vf和电流if的乘积，FWD的输出特性曲线如图4，表达式为：
由于二极管的前向导通电压也主要与两个变化量有关，分别是结温和电流，因此可以采用线性插值的方法得到其他未知温度下的二极管导通电压和电流，从而能计算在任意温度下二极管通态损耗。因为二极管的开通损耗远小于它的反向恢复损耗，所以可以将二极管的反向恢复损耗Err近似看作它的开关损耗，即只计算二极管在关断过程中由重叠电压电流产生的损耗，FWD的开关损耗特性曲线如图5，图5中，Qrr为反向恢复电荷，Irr为反向恢复电流，由此可得到如下二极管开关损耗的表达式：
基于数据手册的特征曲线，Matlab文件中可设置变量数据内容为：
%FWD对应通态损耗
Tj_OnState= [ 25 125 ];
if_OnState = [ 0 0.01 96.4 142 195 259 365 500 669 900 1100 14001500];
vf_OnState = [ 0 0.80 1.09 1.17 1.23 1.29 1.38 1.48 1.58 1.71 1.832.00 2.06; 0 0.50 0.86 0.97 1.06 1.15 1.28 1.43 1.58 1.78 1.94 2.18 2.26 ];
%FWD对应反向恢复损耗；
Tj_800A= [ 25 125 ]; % 结温℃；
Erec_800A= [ 150 270]; %二极管电流if=800A对应反向恢复损耗；
% 不同电流if对应的典型反向恢复损耗；
Vcc_Erec= 900;
Tj_Erec= [ 25 125 ];
if_Erec= [ 0 101 196 301 500 703 800 902 1100 1300 1500 1600 ];
% 反向恢复损耗第二行对应125℃特性曲线
Erec(2,:)= [ 0 82.0 115 145 201 245 270 282 309 330 340 342 ];
% 反向恢复损耗第一行对应25℃特性曲线，可通过插值得到
Erec(1,:)=Erec_800A(1)/Erec_800A(2) * Erec(2,:);
进一步的，S4包括：
S4.1 将IGBT通态损耗对应matlab数据代入，建立为2D插值表，如图6 所示；将FWD通态损耗对应matlab数据代入，建立为2D插值表，如图7所示；将IGBT开关损耗对应matlab数据代入，建立为3D插值表，图8为25摄氏度下的IGBT开通损耗，图9为25摄氏度下的IGBT关断损耗。将FWD反向恢复损耗对应matlab数据代入，建立为3D插值表，图10为25摄氏度下的FWD反向恢复损耗。
S4.2 查表法基于simulink中插值模块，该模块的运行需要引入插值表和断点，首先需通过matlab输入数据建立插值表，其次通过输入数据查表得到对应损耗。功损计算模块如图11所示，其中u1为电压信号，u2为电流信号输入，u3为结温输入，其中电压信号输入前加memory模块。由于开关管导通时电压为零，电流不为零，如果需要得到电流电压相乘的瞬时值，则需对电压信号实现延迟操作，使得电流电压产生重合区域。此时延时的脉冲时间就是输出开关损耗能量对应的脉冲宽度时间，将损耗除以该脉冲宽度的时间即可得到对应的开关功耗。
进一步的，步骤三包括：
S5. 通过瞬态热阻抗曲线获取Foster等效RC热网络参数；
S6. 通过RC热网络参数建立状态空间方程；
S7. 通过电热耦合方式获取结温；
进一步的，S5包括：
S5.1 功率模块中的半导体芯片与散热器的对流表面之间的热路径由不同材料层的堆叠组成。这种热路径可用结-壳热阻抗Z θjc (t)来表征，它被定义为结温度对功率输入的阶跃响应。它用结温T j(t)与壳温T c之间的差值与输入阶跃功率P loss的比值来描述:
一般瞬态热阻抗曲线可通过实验测量或有限元法获得，同样器件厂商在一些数据手册中也有提供。
S5.2 通过IGBT瞬态热阻抗曲线获得Foster等效RC热网络参数。等效RC热网络可用于描述热阻抗，广泛用于模拟分析IGBT结温。其中基于集总参数法的Foster热网络方法因其参数获取和计算相对容易，广泛应用在工程中对于IGBT模块的热设计。Foster热网络是对IGBT模块传热结构的外特性等效，作为热源注入热网络的损耗功率可等效为电流，结温等效为电压，电阻与电容分别表示对应的热阻与热容，地电位则等同于环境温度。等效热阻抗网络如图12所示，该网络的热阻抗时间响应可以由以下描述：
其中，R i 为热阻，C i 为热容；一般瞬态热阻抗曲线对应的四阶RC热网络参数可由数据手册提供，另外也可采用matlab对实验测得的瞬态热阻抗曲线进行线性拟合，进一步获得RC热网络参数，P Tr_tot为IGBT损耗总和，T j_Tr为IGBT结温，P D_tot为FWD损耗总和，T j_D为FWD温度，T c为壳温，T h为环境温度。本发明选择器件为Infineon-FZ600R17KE3，IGBT与FWD对应的瞬态热阻抗曲线如图13所示，图13中ri为热阻，单位为K/W（开尔文每瓦特），
为时间常数，单位为s（秒）。IGBT的四阶热网络参数分别为：R tjc1=0.004K/W,C tjc1=2.5J/K,R tjc2=0.012K/W,C tjc2=3.33J/K,R tjc3=0.016K/W,C tjc3=3.75J/K,R tjc4=0.008K/W,C tjc4=37.5J/K；反并联二极管FWD的四阶热网络分别为：R djc1=0.0065K/W,C tjc1=1.5385J/K,R tjc2=0.0195K/W,C tjc2=2.0513J/K,R tjc3=0.026K/W,C tjc3=2.3077J/K,R tjc4=0.013K/W,C tjc4=23.0769J/K；IGBT和反并联二极管FWD对应的壳至散热器热阻和热容分别为：R tch=0.065K/W，C tch=0.1J/K，R dch=0.065K/W，C dch=0.1J/K；散热器至环境的热阻和热容分别为R ha=0.026K/W，C ha=0.5J/K，T a环境温度设定为40℃。
进一步的，S6包括：
为实现结温在线测量，可将RC热网络等效为状态空间表达式，通过输入、输出以及状态变量将RC热网络等效为数学模型。如图14所示，定义流经R n电流为I Rn ，流经C n 电流为I Cn ，R n与C n上电压为V n (n=1,2,3,4)，此时有：
进一步，得：
Itotal为总电流；
将上式左右两端同乘1/C n R n 可得：
将上式左右两端同乘R n 可得：
进一步可等效为：
其中总电压为：
通过状态空间方程可表示为：
其中A 4×4为系统矩阵，B 4×2为输入矩阵，C 2×4为输出矩阵，D 2×2为直接传递矩阵，状态变量x(t)表示不同热阻和热容之间的温差，系统输入u(t)=[T c(t),P loss (t)]，系统输出y(t)=[T J (t),P loss (t)]。其中P loss (t)为功耗，T c(t)为壳温，T J (t)为结温输出。
进一步的，S7包括：
S7.1 在simulink中实现状态空间方程与热网络等效
由于采用模块由两个IGBT及两个反并联二极管构成，壳温T c及损耗P loss变量作为系统输入，将结温T j及损耗作为系统输出。如图15，通过在Matlab/Simulink中采用离散状态空间方程模型，根据四阶RC热网络参数在模块的mask选项中对系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接传递矩阵进行初始化定义。其中添加memory延迟模块避免出现代数环问题。通过该环节获得IGBT结温，二极管温度及总功耗输出。
S7.2 获取壳温过程
由于电热耦合特性，需进一步将输出电气信号通过simulink中物理连接线与散热器及环境温度建立联系。如图16所示，通过状态空间方程输出总功耗，进一步与散热器热阻及环境温度构建连接。如图17所示，功耗输入信号经连接线转换为物理信号，在电热耦合过程中，此时功耗等效为热流，且流向为A至B，输出端连接散热器物理端口H。经温度探测器得到B点对应壳温，将物理信号转换后得到摄氏度T case。
S7.3 电热耦合过程
进一步的，单相桥臂三个开关模块的物理端口H通过结壳对应的的热质量及热传导，其中壳到散热器的热质量等效为第一热容(Cch=0.1J/K)，热导率等效为热阻的第一倒数(1/Rch=50W/K)，散热器到环境的热质量等效为第二热容(Cha=0.5J/K)，热导率等效为热阻的第二倒数(1/Rha=13.89W/K)，Ta环境温度为40℃，由外部输入后转为开尔文输入至温度源。如图18，通过H端口将散热器、环境与功率损耗连接，将物理模型与电信号模型相连，实现电热耦合，通过该方式获得结温。
实施例1
在Matlab/Simulink平台下搭建该仿真模型。仿真参数如下：Vdc=800V，P ref=60kW，Q ref=20kW，L=8e-3H，R=0.04Ω，C=5´10-6F，仿真步长1e-6s，求解器为ode3，本文选择器件为Infineon-FZ600R17KE3，IGBT与FWD对应的瞬态热阻抗曲线如图13所示。IGBT的四阶热网络参数分别为：R tjc1=0.004K/W,C tjc1=2.5J/K,R tjc2=0.012K/W,C tjc2=3.33J/K,R tjc3=0.016K/W,C tjc3=3.75J/K,R tjc4=0.008K/W,C tjc4=37.5J/K；反并联二极管FWD的四阶热网络分别为：R djc1=0.0065K/W,C tjc1=1.5385J/K,R tjc2=0.0195K/W,C tjc2=2.0513J/K,R tjc3=0.026K/W,C tjc3=2.3077J/K,R tjc4=0.013K/W,C tjc4=23.0769J/K；IGBT和反并联二极管FWD对应的壳至散热器热阻和热容分别为：R tch=0.065K/W，C tch=0.1J/K，R dch=0.065K/W，C dch=0.1J/K；散热器至环境的热阻和热容分别为R ha=0.026K/W，C ha=0.5J/K，T a环境温度设定为40℃。
为实现结温预测对比，采用相同开关管Infineon-FZ600R17KE3，使用Infineon在线结温预测仿真平台IPOSIM实现结温预测。采用本方法结温预测结果如图19，采用IPOSIM仿真结果如图20，图20中TjQ1为IPOSIM的结温预测曲线，TjD1为传统滤波器的结温预测曲线。采用本方法结温稳定波动范围为64.6℃~64.7℃，在2s内实现收敛稳定，采用IPOSIM仿真结温波动值为60℃~63℃。结果分析可得，采用该方法结温预测平均值上基本与IPOSIM仿真结果一致，且收敛速度较快。如需进一步精确获得结温瞬态波动情况，可采用matlab对瞬态热阻抗曲线进行多阶拟合，并根据多阶RC热网络建立状态空间方程。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明针对IGBT功率器件，提供了一种结温在线测量方法。该方法首先通过对IGBT数据手册中的特性曲线进行提取，在matlab文件中建立插值数据表，根据插值表在simulink中建立插值模块计算损耗。其次，通过四阶RC热网络建立状态空间方程，通过电热耦合将损耗与物理模型联系，得到测量结温。作为模拟分析法，该方法克服了实验探测法中成本高昂、条件苛刻，应用范围受限等特点，在结温测量中不必依靠特殊设备，具有较高的工程应用价值。同时相比于有限元法，该方法不需要通过实验修正所建模型，不需要较多计算资源，避免了获取器件内部物理结构、力学性能过程的复杂性，具有获取数据过程方便，计算过程简单的特点。在损耗计算中，相比于参数拟合法，查表法不需要提取较复杂的温度修正系数，并且适用性强，便于应用普及。在结温获取过程中，相比于原本的RC热网络法，通过建立状态空间方程的等效RC热网络法具有结温迭代速度快，精度高的特点。
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在线IGBT结温测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立二极管钳位式三电平逆变器并网PQ控制模型；
步骤二，通过采集IGBT及二极管的电压电流通过查表法计算损耗；通过数据手册中提取数据断点，在matlab文件中建立插值表，并通过simulink建立2D/3D插值模块，当采用不同IGBT模块时，设计并切换不同插值表，或对插值表进行多断点拟合，提高损耗计算精度；
步骤三，通过Foster模型四阶RC热网络建立状态空间方程，通过将损耗输入，实现电热耦合，获取结温；在状态空间方程等效中，针对四阶RC热网络，通过KVL和KCL重新定义状态空间方程的系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵和直接传递矩阵，且将该数学模型应用于电热耦合过程中；
其中状态空间方程表示为：
其中A 4×4为系统矩阵，B 4×2为输入矩阵，C 2×4为输出矩阵，D 2×2为直接传递矩阵，状态变量x(t)表示不同热阻和热容之间的温差，系统输入u(t)=[T c(t), P loss (t)]，系统输出y(t)=[T J (t), P loss (t)]，其中P loss (t)为功耗，T c(t)为壳温，T J (t)为结温输出，C1为第一热容，C2为第二热容，C3为第三热容，C4为第四热容，R1为第一热阻，R2为第二热阻，R3为第三热阻，R4为第四热阻。
2.根据权利要求1所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤一包括：
S1. 基于二极管钳位式变流器拓扑，采用功率外环、并网电流内环的控制结构，e a、e b、e c为电网电压；功率外环采集电网电压U和并网电流I，经过PQ计算模块得到功率实测值，与给定值P ref和Q ref分别作差经PI环节得到电流内环给定值i dref、i qref；
S2. 并网电流经坐标变换得到dq0坐标系电流i d、i q，分别与i dref、i qref做差，经过PI补偿环节和前馈解耦环节得到d轴和q轴电压参考值u d *、u q *，经坐标反变换和PWM调制环节，得到开关管的开通关断信号，从而保证逆变器按功率给定值向电网输送功率。
3.根据权利要求2所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1 通过PQ模块得到功率实测值，其中PQ模块的计算公式为：
其中，P为有功功率，Q为无功功率，u a、u b、u c为相电压瞬时值，i a、i b、i c为相电流瞬时值，u bc、u ca、 u ab为线电压瞬时值，通过上式，根据瞬时电压电流获得功率实测值；
S1.2 为获取功率外环对应的电流内环给定值I dref、I qref，将功率实测值转换为dq0坐标系，根据等幅值Clarke坐标变换公式将abc坐标系转换为
坐标系，计算公式为：
将
坐标系转换为dq0坐标系，计算公式为：
通过上式，有功功率P和无功功率Q的功率实测值表示为：
其中，u d、u q和i d、i q分别表示dq0坐标系下的电压和电流，对于网侧而言，i q=0，故上式简化为：
此时电流内环给定值i dref、i qref分别表示为：
其中，P ref和Q ref分别为有功功率和无功功率的给定值，S为视在功率，k p和k i 分别为比例积分环节的比例项和积分项，通过上述步骤，获得电流内环给定值i dref、i qref。
4.根据权利要求3所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1 为获取电压参考值u d *、u q *，进行解耦，由于dq0坐标系下电压输出为：
L为电感值，
为角频率，此时u d表达式中包含
，u q表达式中包含
的耦合项；
S2.2 在dq0坐标系下，并网逆变器数学模型中存在d轴和q轴之间的耦合分量，通过引入前馈量进行解耦，计算公式为：
通过上式消除了d轴和q轴分量之间的耦合；电压基准u dref和u qref通过坐标反变换和PWM模块得到功率器件的开关信号，保证逆变器输出的功率遵循给定的参考值。
5.根据权利要求1所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤二包括：
S3. 通过数据手册建立有关IGBT损耗计算内容的matlab文件；
S4. 通过2D/3D查表法获取IGBT和反并联二极管的对应损耗；
其中步骤S3包括：
S3.1 确定需要计算的损耗，损耗包括IGBT的功率损耗和反并联二极管FWD的功率损耗两部分；由于IGBT的截止损耗，FWD的截止损耗和开通损耗在总损耗中占比很小，故IGBT的功率损耗仅计算通态损耗和开关损耗，其中开关损耗包括开通损耗和关断损耗，FWD的功率损耗仅计算通态损耗和反向恢复损耗；
S3.2 IGBT的通态损耗计算：
IGBT的通态损耗P con_loss_IGBT在数值上等于开关管在导通时，加在开关管集电极和发射极两端的电压v ce和器件的集电极电流i c两者的乘积，公式为：
基于25℃、125℃下V ce-I c输出特性曲线计算IGBT器件的导通损耗；
通态损耗查表文件采用基于25℃和125℃的两条特性曲线，结温变量为1*2矩阵，集电极电流采用1*14矩阵，集射极电压采用2*14矩阵，分别对应两条温度曲线的两组变量；
S3.3 IGBT的开关损耗计算：
IGBT的开关损耗包括开通损耗E on和关断损耗E off两部分，都是瞬间产生的损耗；IGBT在一个开关周期1/f sw内的开关损耗，由IGBT在开通或关断瞬间相互重叠的电压v ce(t)和电流i c(t)相乘并对时间t进行积分得到，IGBT的开关损耗如下式：
S3.4 FWD的通态损耗及关断损耗计算：
IGBT模块中二极管Diode的通态损耗是器件处于导通状态时电压vf和电流if的乘积，表达式为：
采用线性插值的方法得到其他未知温度下的二极管导通电压和电流，从而计算在任意温度下二极管通态损耗；因为二极管的开通损耗远小于它的反向恢复损耗，所以将二极管的反向恢复损耗Err近似看作它的开关损耗，即只计算二极管在关断过程中由重叠电压电流产生的损耗，得到如下二极管开关损耗的表达式：
基于数据手册的特征曲线，设置Matlab文件中变量数据内容，包括FWD对应通态损耗，FWD对应反向恢复损耗，结温，二极管电流if=800A对应反向恢复损耗，不同二极管电流if对应的典型反向恢复损耗，反向恢复损耗第二行对应125℃特性曲线，反向恢复损耗第一行对应25℃特性曲线。
6.根据权利要求5所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤S4包括：
S4.1 将IGBT通态损耗对应matlab数据代入，建立2D插值表；将FWD通态损耗对应matlab数据代入，建立2D插值表；将IGBT开关损耗对应matlab数据代入，建立3D插值表；将FWD反向恢复损耗对应matlab数据代入，建立3D插值表；
S4.2 查表法基于simulink中插值模块，该模块的运行需要引入插值表和断点，首先需通过matlab输入数据建立插值表，其次通过输入数据查表得到对应损耗；
u1、u2和u3输入功损计算模块计算开关功耗，其中u1为电压信号，u2为电流信号输入，u3为结温输入，电压信号输入前加memory模块；由于开关管导通时电压为零，电流不为零，得到电流电压相乘的瞬时值之前，对电压信号进行延迟操作，使得电流电压产生重合区域，此时延时的脉冲时间就是输出开关损耗能量对应的脉冲宽度时间，将损耗除以该脉冲宽度的时间即得到对应的开关功耗。
7.根据权利要求1所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤三包括：
S5. 通过瞬态热阻抗曲线获取Foster等效RC热网络参数；
S6. 通过RC热网络参数建立状态空间方程；
S7. 通过电热耦合方式获取结温。
8.根据权利要求7所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤S5包括：
S5.1 功率模块中的半导体芯片与散热器的对流表面之间的热路径由不同材料层的堆叠组成，所述热路径用结-壳热阻抗Z θjc (t)来表征，为结温度对功率输入的阶跃响应，用结温T j(t)与壳温T c之间的差值与输入阶跃功率P loss的比值描述如下：
S5.2 通过IGBT瞬态热阻抗曲线获得Foster等效RC热网络参数，网络的热阻抗时间响应由以下描述：
其中，R i 为第i个热阻，C i 为第i个热容；由数据手册获取或对实验测得的瞬态热阻抗曲线进行线性拟合，得到瞬态热阻抗曲线对应的四阶RC热网络参数。
9.根据权利要求7所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤S6包括：
为实现结温在线测量，将RC热网络等效为状态空间表达式，通过输入、输出以及状态变量将RC热网络等效为数学模型；所述数学模型中定义流经R n电流为I Rn ，流经C n 电流为I Cn ，R n与C n上电压为V n (n=1,2,3,4)，此时有：
进一步，得：
Itotal为总电流；
将上式左右两端同乘1/C n R n ，得：
将上式左右两端同乘R n ，得：
进一步等效为：
其中总电压为：
10. 根据权利要求7所述的在线IGBT结温测量方法，其特征在于，步骤S7包括：
S7.1 在simulink中实现状态空间方程与热网络等效
由于采用模块由两个IGBT及两个反并联二极管构成，壳温T c及损耗P loss变量作为系统输入，将结温T j及损耗作为系统输出；在Matlab/Simulink中采用离散状态空间方程模型，根据四阶RC热网络参数在模块的mask选项中对系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接传递矩阵进行初始化定义，其中添加memory延迟模块避免出现代数环问题，通过该步骤获得IGBT结温，二极管温度及总功耗输出；
S7.2 获取壳温过程
将输出电气信号通过simulink中物理连接线与散热器及环境温度建立联系：通过状态空间方程输出总功耗，进一步与散热器热阻及环境温度构建连接；功耗输入信号经连接线转换为物理信号，在电热耦合过程中，此时功耗等效为热流，且流向为A至B，输出端连接散热器物理端口H；经温度探测器得到B点对应壳温，将物理信号转换后得到摄氏度T case；
S7.3 电热耦合过程
单相桥臂三个开关模块的物理端口H通过结壳对应的的热质量及热传导，其中壳到散热器的热质量等效为第一热容，热导率等效为热阻的第一倒数，散热器到环境的热质量等效为第二热容，热导率等效为热阻的第二倒数，由外部输入后转为开尔文输入至温度源，通过H端口将散热器、环境与功率损耗连接，将物理模型与电信号模型相连，实现电热耦合，获得结温。
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