CN117150199A - 一种igbt的封装温度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT的封装温度监测方法，属于数据处理技术领域，包括以下步骤：S1、获取IGBT在工作环境中散热器的工作参数、各个时刻的工作环境温度以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温；S2、构建环境损耗矩阵；S3、确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间；S4、采集IGBT在最新时刻的内部结温和外部壳温，在内部结温或外部壳温不属于最佳运行温度区间时进行报警，完成IGBT的封装温度监测。本发明利用环境损耗矩阵和IGBT自身在各个时刻的内部结温和外部壳温，确定最佳运行温度区间，便于在出现异常温度快速发现，保证IGBT的正常运行，防止损坏IGBT。

Description

一种IGBT的封装温度监测方法

技术领域

本发明属于数据处理技术领域，具体涉及一种IGBT的封装温度监测方法。

背景技术

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块广泛应用于电力电子领域中，且是一种比较昂贵的元器件。而封装过温是导致其损坏的主要原因之一，严重时甚至会导致IGBT模块损毁，IGBT模块中通常设置有温度传感元件，现有技术中，通常将NTC温度传感器安装在IGBT模块内以检测IGBT模块壳体的温度，或者将温度敏感二极管集成于IGBT芯片以直接检测IGBT芯片的结温，由于NTC温度传感器的温度响应速度较慢，当IGBT芯片瞬间过热时，NTC温度传感器可能出现响应不及时的情况而导致用户无法及时发现问题，严重时可能会导致IGBT模块的损坏，而温度敏感二极管容易在温度骤升时发生热击穿，可靠性较差。因此本发明提出一种IGBT的封装温度监测方法。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提出了一种IGBT的封装温度监测方法。

本发明的技术方案是：一种IGBT的封装温度监测方法包括以下步骤：

S1、获取IGBT在工作环境中散热器的工作参数、各个时刻的工作环境温度以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温；

S2、根据工作环境中散热器的工作参数以及各个时刻的工作环境温度，构建环境损耗矩阵；

S3、基于环境损耗矩阵以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温，确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间；

S4、采集IGBT在最新时刻的内部结温和外部壳温，在内部结温或外部壳温不属于最佳运行温度区间时进行报警，完成IGBT的封装温度监测；

S2包括以下子步骤：

S21、根据各个时刻的工作环境温度，生成工作环境温度序列；

S22、提取环境温度序列的中位数、众数和平均数，分别作为第一温度指标、第二温度指标和第三温度指标；

S23、根据第一温度指标、第二温度指标和第三温度指标，确定最佳工作环境温度区间；

S24、提取工作环境温度序列中属于最佳工作环境温度区间的工作环境温度，生成标准工作环境温度序列；

S25、根据散热器的散热面积和散热方式，确定散热器的温度指标；

S26、根据标准工作环境温度序列和散热器的温度指标，生成环境损耗矩阵。

在本发明中，一个序列的中位数、众数和平均数作为表示序列特征的指标，因此本发明将初始环境温度序列的三个特征参数与散热器的特征参数结合，生成范围更小且更精确的标准环境温度序列，并利用标准环境温度序列的三个特征参数与散热器的特征参数结合，进一步确定环境损耗矩阵。该环境损耗矩阵因为考虑各个时刻的环境温度以及散热器的工作参数，可以良好地反映环境对IGBT的影响。IGBT内部的温度称为结温，IGBT外壳的温度称为壳温。

进一步地，S1中，散热器的工作参数包括散热器面积和散热方式；其中，散热方式包括风冷散热、水冷散热、热管散热和液冷散热。

进一步地，S23中，最佳工作环境温度区间的左端点W_l的计算公式为：；式中，α₁表示第一温度指标，α₂表示第二温度指标，α₃表示第三温度指标，α_max表示工作环境温度序列的最大值，α_min表示工作环境温度序列的最小值；

S23中，最佳工作环境温度区间的右端点W_r的计算公式为：。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，环境温度序列的中位数可以反映IGBT在中间时刻的工作温度，环境温度序列的众数可以反映IGBT在大多数时刻的工作温度，将中位数、众数和平均数作为表示环境温度序列的特征参数，根据历史数据的特征参数来确定整个IGBT最佳工作温度区间，其区间确定准确。

进一步地，S25中，散热器的温度指标w的计算公式为：；式中，log表示对数函数，σ表示可变变量，S表示散热器的散热面积，σ=1表示散热器采用风冷散热，σ=2表示散热器采用水冷散热，σ=3表示散热器采用热管散热，σ=4表示散热器采用液冷散热。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，风冷散热：通过散热风扇等设备使空气在散热器表面流动，将热量带走。风冷散热效率较低。水冷散热：将IGBT与水套进行一体化设计，通过水流带走热量，散热效率较高。热管散热：利用热管的高效传热特性，将IGBT芯片的热量通过热管传递到散热器上，实现快速散热，传热效率高。液冷散热：将IGBT芯片浸泡在液体中，利用液体的导热性能将热量传递到外部散热器上。液冷散热器具有散热效率高和噪音小等优点。因此，在本发明中，散热效率越高，可变变量的值β越大，对散热器的温度指标影响越大，可以充分考虑散热器自身设备参数对环境的影响。

进一步地，S26中，环境损耗矩阵X的表达式为：，x₁=wβ₁，x₂=wβ₂，x₃=wβ₃，/>；式中，w表示散热器的温度指标，β₁表示标准工作环境温度序列的中位数，β₂表示标准工作环境温度序列的众数，β₃表示标准工作环境温度序列的平均数。

进一步地，S3包括以下子步骤：

S31、基于环境损耗矩阵，对初始时刻的内部结温和外部壳温进行迭代，得到初始温度系数；

S32、基于初始温度系数，对其余时刻的内部结温和外部壳温依次进行迭代，得到其余时刻的温度系数；

S33、根据初始温度系数和其余时刻的温度系数，确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，根据环境耗损矩阵以及初始时刻的内部结温和外部壳温确定初始温度系数，并利用初始温度系数对其余时刻的内部结温和外部壳温进行迭代操作，依次得到各个时刻的温度系数，再根据所有时刻的温度系数确定最终的最佳运行温度区间，该最佳运行温度区间可以确定IGBT的适宜工作环境，保证后续IGBT温度出现异常时及时发现。

进一步地，S31中，初始温度系数P₁的计算公式为：；式中，X表示环境损耗矩阵，T_{in_1}表示初始时刻的内部结温，T_{out_1}表示初始时刻的外部壳温。

进一步地，S32中，i时刻的温度系数P_i的计算公式为：；式中，P₁表示初始温度系数，P_i-1表示i-1时刻的温度系数，T_{in_1}表示初始时刻的内部结温，T_{out_1}表示初始时刻的外部壳温，T_{in_i-1}表示i-1时刻的内部结温，T_{in_i}表示i时刻的内部结温，T_{out_i}表示i时刻的外部壳温，T_{out_i-1}表示i-1时刻的外部壳温，φ_i表示i时刻进行迭代的学习系数，c表示常数，e表示指数，max表示最大值运算。

进一步地，S33中， IGBT在工作环境的最佳运行温度区间的左端点Y_l的计算公式为：；式中，P_i表示i时刻的温度系数，I表示所有时刻，P_max表示最大温度系数，P₁表示初始温度系数；

S33中， IGBT在工作环境的最佳运行温度区间的右端点Y_r的计算公式为：；式中，P_min表示最小温度系数。

本发明的有益效果是：在本发明提出的IGBT的封装温度监测方法中，根据IGBT运行的实际情况综合考虑，将运行环境温度和散热器自身参数作为影响IGBT温度的重要因素，生成的环境损耗矩阵可以表征这两种环境因素对IGBT封装温度的影响；同时，利用环境损耗矩阵和IGBT自身在各个时刻的内部结温和外部壳温，确定最佳运行温度区间，便于在出现异常温度快速发现，保证IGBT的正常运行，防止损坏IGBT。

附图说明

图1为IGBT的封装温度监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种IGBT的封装温度监测方法，包括以下步骤：

S1、获取IGBT在工作环境中散热器的工作参数、各个时刻的工作环境温度以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温；

S2、根据工作环境中散热器的工作参数以及各个时刻的工作环境温度，构建环境损耗矩阵；

S3、基于环境损耗矩阵以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温，确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间；

S4、采集IGBT在最新时刻的内部结温和外部壳温，在内部结温或外部壳温不属于最佳运行温度区间时进行报警，完成IGBT的封装温度监测；

S2包括以下子步骤：

S21、根据各个时刻的工作环境温度，生成工作环境温度序列；

S22、提取环境温度序列的中位数、众数和平均数，分别作为第一温度指标、第二温度指标和第三温度指标；

S23、根据第一温度指标、第二温度指标和第三温度指标，确定最佳工作环境温度区间；

S24、提取工作环境温度序列中属于最佳工作环境温度区间的工作环境温度，生成标准工作环境温度序列；

S25、根据散热器的散热面积和散热方式，确定散热器的温度指标；

S26、根据标准工作环境温度序列和散热器的温度指标，生成环境损耗矩阵。

在本发明中，一个序列的中位数、众数和平均数作为表示序列特征的指标，因此本发明将初始环境温度序列的三个特征参数与散热器的特征参数结合，生成范围更小且更精确的标准环境温度序列，并利用标准环境温度序列的三个特征参数与散热器的特征参数结合，进一步确定环境损耗矩阵。该环境损耗矩阵因为考虑各个时刻的环境温度以及散热器的工作参数，可以良好地反映环境对IGBT的影响。IGBT内部的温度称为结温，IGBT外壳的温度称为壳温。

在本发明实施例中，S1中，散热器的工作参数包括散热器面积和散热方式；其中，散热方式包括风冷散热、水冷散热、热管散热和液冷散热。

在本发明实施例中，S23中，最佳工作环境温度区间的左端点W_l的计算公式为：；式中，α₁表示第一温度指标，α₂表示第二温度指标，α₃表示第三温度指标，α_max表示工作环境温度序列的最大值，α_min表示工作环境温度序列的最小值；

S23中，最佳工作环境温度区间的右端点W_r的计算公式为：。

在本发明中，环境温度序列的中位数可以反映IGBT在中间时刻的工作温度，环境温度序列的众数可以反映IGBT在大多数时刻的工作温度，将中位数、众数和平均数作为表示环境温度序列的特征参数，根据历史数据的特征参数来确定整个IGBT最佳工作温度区间，其区间确定准确。

在本发明实施例中，S25中，散热器的温度指标w的计算公式为：；式中，log表示对数函数，σ表示可变变量，S表示散热器的散热面积，σ=1表示散热器采用风冷散热，σ=2表示散热器采用水冷散热，σ=3表示散热器采用热管散热，σ=4表示散热器采用液冷散热。

在本发明中，风冷散热：通过散热风扇等设备使空气在散热器表面流动，将热量带走。风冷散热效率较低。水冷散热：将IGBT与水套进行一体化设计，通过水流带走热量，散热效率较高。热管散热：利用热管的高效传热特性，将IGBT芯片的热量通过热管传递到散热器上，实现快速散热，传热效率高。液冷散热：将IGBT芯片浸泡在液体中，利用液体的导热性能将热量传递到外部散热器上。液冷散热器具有散热效率高和噪音小等优点。因此，在本发明中，散热效率越高，可变变量的值β越大，对散热器的温度指标影响越大，可以充分考虑散热器自身设备参数对环境的影响。

在本发明实施例中，S26中，环境损耗矩阵X的表达式为：，x₁=wβ₁，x₂=wβ₂，x₃=wβ₃，/>；式中，w表示散热器的温度指标，β₁表示标准工作环境温度序列的中位数，β₂表示标准工作环境温度序列的众数，β₃表示标准工作环境温度序列的平均数。

在本发明实施例中，S3包括以下子步骤：

S31、基于环境损耗矩阵，对初始时刻的内部结温和外部壳温进行迭代，得到初始温度系数；

S32、基于初始温度系数，对其余时刻的内部结温和外部壳温依次进行迭代，得到其余时刻的温度系数；

S33、根据初始温度系数和其余时刻的温度系数，确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间。

在本发明中，根据环境耗损矩阵以及初始时刻的内部结温和外部壳温确定初始温度系数，并利用初始温度系数对其余时刻的内部结温和外部壳温进行迭代操作，依次得到各个时刻的温度系数，再根据所有时刻的温度系数确定最终的最佳运行温度区间，该最佳运行温度区间可以确定IGBT的适宜工作环境，保证后续IGBT温度出现异常时及时发现。

在本发明实施例中，S31中，初始温度系数P₁的计算公式为：；式中，X表示环境损耗矩阵，T_{in_1}表示初始时刻的内部结温，T_{out_1}表示初始时刻的外部壳温。

在本发明实施例中，S32中，i时刻的温度系数P_i的计算公式为：；式中，P₁表示初始温度系数，P_i-1表示i-1时刻的温度系数，T_{in_1}表示初始时刻的内部结温，T_{out_1}表示初始时刻的外部壳温，T_{in_i-1}表示i-1时刻的内部结温，T_{in_i}表示i时刻的内部结温，T_{out_i}表示i时刻的外部壳温，T_{out_i-1}表示i-1时刻的外部壳温，φ_i表示i时刻进行迭代的学习系数，c表示常数，e表示指数，max表示最大值运算。

在本发明实施例中，S33中， IGBT在工作环境的最佳运行温度区间的左端点Y_l的计算公式为：；式中，P_i表示i时刻的温度系数，I表示所有时刻，P_max表示最大温度系数，P₁表示初始温度系数；

S33中， IGBT在工作环境的最佳运行温度区间的右端点Y_r的计算公式为：；式中，P_min表示最小温度系数。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取IGBT在工作环境中散热器的工作参数、各个时刻的工作环境温度以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温；

S2、根据工作环境中散热器的工作参数以及各个时刻的工作环境温度，构建环境损耗矩阵；

S3、基于环境损耗矩阵以及IGBT在各个时刻的内部结温和外部壳温，确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间；

S4、采集IGBT在最新时刻的内部结温和外部壳温，在内部结温或外部壳温不属于最佳运行温度区间时进行报警，完成IGBT的封装温度监测；

所述S2包括以下子步骤：

S21、根据各个时刻的工作环境温度，生成工作环境温度序列；

S22、提取环境温度序列的中位数、众数和平均数，分别作为第一温度指标、第二温度指标和第三温度指标；

S23、根据第一温度指标、第二温度指标和第三温度指标，确定最佳工作环境温度区间；

S24、提取工作环境温度序列中属于最佳工作环境温度区间的工作环境温度，生成标准工作环境温度序列；

S25、根据散热器的散热面积和散热方式，确定散热器的温度指标；

S26、根据标准工作环境温度序列和散热器的温度指标，生成环境损耗矩阵。

2.根据权利要求1所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S1中，散热器的工作参数包括散热器面积和散热方式；其中，散热方式包括风冷散热、水冷散热、热管散热和液冷散热。

3.根据权利要求1所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S23中，最佳工作环境温度区间的左端点W_l的计算公式为：；式中，α₁表示第一温度指标，α₂表示第二温度指标，α₃表示第三温度指标，α_max表示工作环境温度序列的最大值，α_min表示工作环境温度序列的最小值；

所述S23中，最佳工作环境温度区间的右端点W_r的计算公式为：。

4.根据权利要求1所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S25中，散热器的温度指标w的计算公式为：；式中，log表示对数函数，σ表示可变变量，S表示散热器的散热面积，σ=1表示散热器采用风冷散热，σ=2表示散热器采用水冷散热，σ=3表示散热器采用热管散热，σ=4表示散热器采用液冷散热。

5.根据权利要求1所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S26中，环境损耗矩阵X的表达式为：，x₁=wβ₁，x₂=wβ₂，x₃=wβ₃，/>；式中，w表示散热器的温度指标，β₁表示标准工作环境温度序列的中位数，β₂表示标准工作环境温度序列的众数，β₃表示标准工作环境温度序列的平均数。

6.根据权利要求1所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S3包括以下子步骤：

S31、基于环境损耗矩阵，对初始时刻的内部结温和外部壳温进行迭代，得到初始温度系数；

S32、基于初始温度系数，对其余时刻的内部结温和外部壳温依次进行迭代，得到其余时刻的温度系数；

S33、根据初始温度系数和其余时刻的温度系数，确定IGBT在工作环境的最佳运行温度区间。

7.根据权利要求6所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S31中，初始温度系数P₁的计算公式为：；式中，X表示环境损耗矩阵，T_{in_1}表示初始时刻的内部结温，T_{out_1}表示初始时刻的外部壳温。

8.根据权利要求6所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S32中，i时刻的温度系数P_i的计算公式为：；式中，P₁表示初始温度系数，P_i-1表示i-1时刻的温度系数，T_{in_1}表示初始时刻的内部结温，T_{out_1}表示初始时刻的外部壳温，T_{in_i-1}表示i-1时刻的内部结温，T_{in_i}表示i时刻的内部结温，T_{out_i}表示i时刻的外部壳温，T_{out_i-1}表示i-1时刻的外部壳温，φ_i表示i时刻进行迭代的学习系数，c表示常数，e表示指数，max表示最大值运算。

9.根据权利要求6所述的IGBT的封装温度监测方法，其特征在于，所述S33中， IGBT在工作环境的最佳运行温度区间的左端点Y_l的计算公式为：；式中，P_i表示i时刻的温度系数，I表示所有时刻，P_max表示最大温度系数，P₁表示初始温度系数；

所述S33中， IGBT在工作环境的最佳运行温度区间的右端点Y_r的计算公式为：；式中，P_min表示最小温度系数。