计算IGBT模块瞬态结温的方法和系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及在线计算igbt模块瞬态结温的方法和系统。

背景技术：

由电力电子系统可靠性调研报告可知，功率器件是变流系统中失效率最高的部件，约占34％。在各类失效因素中，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。因而为了避免功率模块的严重性能退化甚至是灾难性损坏,功率模块的最高运行结温以及结温波动应受到密切的监测。具体而言,模块的热击穿失效和热疲劳失效分别是由其的最高运行结温和结温波动触发的。所以，模块运行结温的在线提取与检测对大功率变流系统的安全运行及健康管理具有重要的意义。

然而，目前对模块运行结温的在线提取与检测普遍存在一系列的问题，光学非接触式测量法只能得到模块外表面特定时刻的温度，在测量时需要打开模块封装，属于破坏性测量方法，不能实现igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)模块内功率器件芯片结温的在线测量。热敏电参数法需要设计专门的测量电路，系统控制难度大，测量精度低。传统电热耦合模型结温测量法在建立热阻网络模型时存在模块材料特性难以获取，模型结构复杂等问题。

综上所述，现有技术的问题在于缺少能够有效反应igbt模块内各芯片的瞬态结温的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供在线计算igbt模块瞬态结温的方法和系统，可以实现为变流器系统的安全运行和健康管理提供精确的功率器件结温信息的目的。

第一方面，本发明实施例提供了计算igbt模块瞬态结温的方法，包括：

获取电路状态信息、损耗参数和内置热敏电阻压降信息；

根据所述电路状态信息和所述损耗参数计算功率模块损耗，并根据所述内置热敏电阻压降信息计算基板温度；

建立基于模块内置热敏电阻温度信息为参考点的热阻网络模型，并根据所述功率模块损耗和所述热阻网络模型计算结温温升；

根据所述基板温度和所述结温温升计算瞬态结温。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电路状态信息包括主电路采样电压、电流、开关占空比、开关频率和当前结温信息，所述根据所述电路状态信息和所述损耗参数计算功率模块损耗包括：

根据所述主电路采样电压、所述电流、所述开关占空比、所述开关频率和所述损耗参数计算所述功率模块损耗；

根据所述当前结温信息对所述功率模块损耗进行修正。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述内置热敏电阻压降信息包括热敏电阻压降值，所述根据所述内置热敏电阻压降信息计算基板温度包括：

通过负温度系数ntc电阻测量电路的分压电路测量所述热敏电阻压降值；

通过查表得到与所述热敏电阻压降值相对应的所述基板温度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述建立基于模块内置热敏电阻温度信息为参考点的热阻网络模型包括：

根据功率模块版图建立功率模块有限元模型，并通过模块生产商提供的瞬态热阻曲线对所述功率模块有限元模型进行修正；

对修正的所述功率模块有限元模型进行仿真，依次得到所有开关器件的结温响应曲线和热敏电阻温度变化曲线；

根据所述结温响应曲线和所述热敏电阻温度变化曲线，依次求得所述所有开关器件的热阻抗曲线，其中，所述热阻抗包括自热阻抗和耦合热阻抗；

对所述热阻抗曲线进行数据拟合得到热阻抗表达式；

根据所述热阻抗表达式得到二阶foster热阻抗等效电路，并根据所述二阶foster热阻抗等效电路建立所述热阻网络模型。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述根据所述功率模块损耗和所述热阻网络模型计算结温温升包括：

根据下式计算所述结温温升：

δt(t)＝z(t)*p(t)

其中，δt(t)为所述结温温升，z(t)为所述热阻网络模型，p(t)为所述功率模块损耗。

第二方面，本发明实施例提供了计算igbt模块瞬态结温的系统，包括:

获取单元，用于获取电路状态信息、损耗参数和内置热敏电阻压降信息；

第一计算单元，用于根据所述电路状态信息和所述损耗参数计算功率模块损耗，并根据所述内置热敏电阻压降信息计算基板温度；

第二计算单元，用于建立基于模块内置热敏电阻温度信息为参考点的热阻网络模型，并根据所述功率模块损耗和所述热阻网络模型计算结温温升；

第三计算单元，用于根据所述基板温度和所述结温温升计算瞬态结温。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电路状态信息包括主电路采样电压、电流、开关占空比、开关频率和当前结温信息，所述第一计算单元包括：

根据所述主电路采样电压、所述电流、所述开关占空比、所述开关频率和所述损耗参数计算所述功率模块损耗；

根据所述当前结温信息对所述功率模块损耗进行修正。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述内置热敏电阻压降信息包括热敏电阻压降值，所述第一计算单元还包括：

通过ntc电阻测量电路的分压电路测量所述热敏电阻压降值；

通过查表得到与所述热敏电阻压降值相对应的所述基板温度。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第二计算单元包括：

根据功率模块版图建立功率模块有限元模型，并通过模块生产商提供的瞬态热阻曲线对所述功率模块有限元模型进行修正；

对修正的所述功率模块有限元模型进行仿真，依次得到所有开关器件的结温响应曲线和热敏电阻温度变化曲线；

根据所述结温响应曲线和所述热敏电阻温度变化曲线，依次求得所述所有开关器件的热阻抗曲线，其中，所述热阻抗包括自热阻抗和耦合热阻抗；

对所述热阻抗曲线进行数据拟合得到热阻抗表达式；

根据所述热阻抗表达式得到二阶foster热阻抗等效电路，并根据所述二阶foster热阻抗等效电路建立所述热阻网络模型。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第二计算单元还包括：

根据下式计算所述结温温升：

δt(t)＝z(t)*p(t)

其中，δt(t)为所述结温温升，z(t)为所述热阻网络模型，p(t)为所述功率模块损耗。

本发明提供计算igbt模块瞬态结温的方法和系统，方法包括：获取电路状态信息、损耗参数和模块内置热敏电阻压降信息；根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗，并根据模块内部芯片与内置热敏电阻所提供的温度信息作为参考温度，同时考虑功率模块内部芯片之间的热耦合，建立一个更简化的igbt模块热阻网络模型，并根据功率模块损耗和热阻网络模型计算结温温升；根据基板温度和结温温升计算瞬态结温，实现igbt瞬时工作结温的在线获取。本发明充分利用功率模块内部已有的热敏电阻资源，建立基于功率模块电热耦合模型的结温测量系统，可以高效地实现为变流器系统的安全运行和健康管理提供精确的功率器件结温信息的目的。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的计算igbt模块瞬态结温的方法流程图；

图2为本发明实施例一提供的步骤s102方法流程图；

图3为本发明实施例一提供的另一步骤s102方法流程图；

图4为本发明实施例一提供的步骤s103方法流程图；

图5为本发明实施例二提供的计算igbt模块瞬态结温的系统结构图；

图6为本发明实施例一提供的计算igbt模块瞬态结温的方法的另一流程图；

图7为本发明实施例一提供的以环境温度作为温度参考点的传统热阻网络模型和以热敏电阻温度作为参考点的热阻网络图；

图8为本发明实施例一提供的以ntc温度为参考点的foster热阻抗网络图。

图标：

10-获取单元；20-第一计算单元；30-第二计算单元；40-第三计算单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，对模块运行结温的在线提取与检测普遍存在一系列的问题，缺少能够有效反应igbt模块内各芯片的瞬态结温的方法。基于此，本发明实施例提供的计算igbt模块瞬态结温的方法以及系统，可以高效地实现为变流器系统的安全运行和健康管理提供精确的功率器件结温信息的目的。

本发明实施例以热电耦合为前提来在线计算器件结温，以在三相电压型逆变器中的应用为例说明本发明实施例提供的计算igbt模块瞬态结温的方法。

实施例一：

图1为本发明实施例一提供的计算igbt模块瞬态结温的方法流程图。

参照图1，计算igbt模块瞬态结温的方法包括：

步骤s101，获取电路状态信息、损耗参数和内置热敏电阻压降信息；

步骤s102，根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗，并根据内置热敏电阻压降信息计算基板温度；

具体地，建立开关器件功率损耗模型，功率损耗模型通过从逆变器工作主电路采样电压、电流、开关占空比，开关频率等电信号以及器件数据手册提供的损耗参数来计算功率模块损耗p(t)。

步骤s103，建立基于模块内置热敏电阻温度信息为参考点的热阻网络模型，并根据功率模块损耗和热阻网络模型计算结温温升；

具体地，根据模块内部芯片与内置热敏电阻以及模块内部各芯片之间的热耦合关系建立热阻网络模型。对三相逆变器全桥中所有开关器件建立热阻模型z(t)，热阻模型利用功率损耗模型所计算的功率模块损耗p(t)来计算出开关器件芯片结温温升δt(t)。

步骤s104，根据基板温度和结温温升计算瞬态结温。

具体地，根据热阻网络模型所计算出的开关器件结温温升δt(t)和ntc(negativetemperaturecoefficient，负温度系数)电阻测量电路所计算出的基板温度tntc即可计算出开关器件瞬时工作结温tj，可根据公式(1)计算瞬态结温tj，，同时将获取的结温tj反馈给损耗模型用于修正器件功率损耗模型以实现电热耦合；

tj＝δt(t)+tntc(1)

根据本发明的示例性实施例，电路状态信息包括主电路采样电压、电流、开关占空比、开关频率和当前结温信息，根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗包括：

参照图2，步骤s201，根据主电路采样电压、电流、开关占空比、开关频率和损耗参数计算功率模块损耗；

步骤s202，根据当前结温信息对功率模块损耗进行修正。

具体地，功率模块损耗主要包含通态损耗和开关损耗，同时考虑到结温对器件功率损耗的影响还需要从获取当前的结温信息来修正功率损耗模型。

根据本发明的示例性实施例，内置热敏电阻压降信息包括热敏电阻压降值，根据内置热敏电阻压降信息计算基板温度包括：

如图3所示，步骤s301，通过ntc电阻测量电路的分压电路测量热敏电阻压降值；

步骤s302，通过查表得到与热敏电阻压降值相对应的基板温度。

具体地，ntc电阻测量电路利用分压电路测量热敏电阻压降ur从而计算出热敏电阻当前阻值r，根据器件数据手册提供的热敏电阻阻值与温度对应关系表，通过查表的方式得出ntc所测量的基板温度tntc。

本发明实施例中的关键步骤在于建立以待测器件内部ntc温度作为参考点的foster传热网络，赛米控(semikron)semix3型igbt模块为实例。该模块常用于三相逆变器系统中作为一相的桥臂，即在每一个开关周期内都由三个并联的igbt芯片或二极管芯片同时工作。由热力学原理可知，功率模块内各芯片之间存在热耦合效应。模块内部热量流动，通电芯片工作时产生的热量会经dbc层和基板传递到热敏电阻和其它未通电芯片上，引起这些未通电元器件也有温升。因此在建立热阻网络模型时可以利用热敏电阻的温度作为热阻网络的参考温度来替代传统热阻网络中以环境温度作为参考温度的做法。图7中的(a)图和图7中的(b)图展示的是以环境温度作为温度参考点的传统热阻网络模型和以热敏电阻温度作为参考点的热阻网络，从图中可以看出改变参考节点后热阻网络的结构可以得到简化，即不需要建立从芯片层到散热器的整个系统的传热网络，而只需要建立从igbt功率芯片到热敏电阻的传热网络，也就避免了散热器系统非线性因素及不同测量点对测量精度的影响。另外考虑到igbt模块内部器件之间的热耦合效应，还需要建立起器件之间的传热模型使器件结温的测量结果更加准确。以下是以semix3型igbt模块为例建立从功率芯片到热敏电阻之间的热阻网络模型的方法。

根据本发明的示例性实施例，建立基于模块内置热敏电阻温度信息为参考点的热阻网络模型包括：

如图4所示，步骤s401，根据功率模块版图建立功率模块有限元模型，并通过瞬态热阻曲线对所述功率模块有限元模型进行修正；

具体地，如图6所示，根据厂商的器件使用手册提供的功率模块版图建立功率模块的有限元模型，由再结合器件数据手册中提供的瞬态热阻曲线来修正所建立的模型。

步骤s402，对修正的功率模块有限元模型进行仿真，依次得到所有开关器件的结温响应曲线和热敏电阻温度变化曲线；

具体地，对步骤s401中所建立的功率器件模型中的igbt#1表层加载阶跃激励以模拟器件的功率损耗p1；当igbt#1结温达到稳定时即可得到功率模块中每一个器件的结温响应曲线ti和热敏电阻所在点的温度变化曲线tntc。

步骤s403，根据结温响应曲线和热敏电阻温度变化曲线，依次求得所有开关器件的热阻抗曲线，其中，热阻抗包括自热阻抗和耦合热阻抗；

具体地，可根据公式(2)求解热阻抗，来获取以ntc的温度作为参考温度的芯片热阻抗曲线z11、z21、z31、z41。

其中，i＝1,2,3,4……表示芯片编号，z11表示芯片自热阻抗，z21、z31、z41表示#1igbt与其他芯片之间互耦合热阻抗。

这里，分别对igbt#2、fwd#3、以及fwd#4重复步骤s402和s403来获取zi2、zi3、zi4，从而得到一个该模块内功率芯片热阻抗矩阵，如式(3)所示；

步骤s404，对热阻抗曲线进行数据拟合得到热阻抗表达式；

具体地，对所得的热阻抗曲线进行数据拟合如式(4)所示，由拉普拉斯变换可以得到热阻抗复频域表达式如式(5)所示，其中τ＝rc。

步骤s405，根据热阻抗表达式得到二阶foster热阻抗等效电路，并根据二阶foster热阻抗等效电路建立热阻网络模型；

具体地，根据步骤s404中热阻抗表达式可以得到二阶foster热阻抗等效电路，如图8所示为#1igbt和#2igbt芯片的热阻抗网络等效电路其中z11表示芯片自热阻抗rc等效电路，z21、z31、z41表示igbt#1与其他芯片之间互耦合热阻抗rc等效电路。其他芯片热阻抗网络模型也可类比得出。利用热阻网络模型即可由公式(6)计算出任意功率损耗p下器件结温的温升δt。

其中，pi(i＝1，2，3，4)表示芯片i功率损耗。

根据本发明的示例性实施例，根据功率模块损耗和热阻网络模型计算结温温升包括：

根据公式(7)计算结温温升：

δt(t)＝z(t)*p(t)(7)

其中，δt(t)为结温温升，z(t)为热阻网络模型，p(t)为功率模块损耗。

需要说明的是，本发明实施例适用于内部封装有温度传感器(ntc)的igbt功率模块，由式(8)可知igbt功率模块结温可以由器件功率损耗p(t)，热阻网络模型zth(t)以及温度参考点建立适当的电热耦合模型来获取。本发明实施例通过改变温度参考点即以igbt模块内部内置温度传感器(ntc)温度作为参考点来获取模块芯片结温。

tj(t)＝t0+∫p(t)zth(t-τ)dt(8)

本发明提供计算igbt模块瞬态结温的方法和系统，方法包括：获取电路状态信息、损耗参数和模块内置热敏内置热敏电阻压降信息；根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗，并根据模块内置热敏内置热敏电阻压降信息计算基板温度；根据模块内部芯片与内置热敏电阻所提供的温度信息作为参考温度，同时考虑功率模块内部芯片之间的热耦合，建立一个更简化的igbt模块热阻网络模型，并根据功率模块损耗和热阻网络模型计算结温温升；根据基板温度和结温温升计算瞬态结温，实现igbt瞬时工作结温的在线获取。本发明充分利用功率模块内部已有的热敏电阻资源，建立基于功率模块电热耦合模型的结温测量系统，可以高效地实现为变流器系统的安全运行和健康管理提供精确的功率器件结温信息的目的。实施例二：

图5为本发明实施例二提供的计算igbt模块瞬态结温的系统结构图。

参照图5，计算igbt模块瞬态结温的系统包括:

获取单元10，用于获取电路状态信息、损耗参数和内置热敏电阻压降信息；

第一计算单元20，用于根据电路状态信息和损耗参数计算功率模块损耗，并根据内置热敏电阻压降信息计算基板温度；

第二计算单元30，用于建立基于模块内置热敏电阻温度信息为参考点的热阻网络模型，并根据功率模块损耗和热阻网络模型计算结温温升；

第三计算单元40，用于根据基板温度和结温温升计算瞬态结温。

根据本发明的示例性实施例，电路状态信息包括主电路采样电压、电流、开关占空比、开关频率和当前结温信息，第一计算单元20包括：

根据主电路采样电压、电流、开关占空比、开关频率和损耗参数计算功率模块损耗；

根据当前结温信息对功率模块损耗进行修正。

根据本发明的示例性实施例，内置热敏电阻压降信息包括热敏电阻压降值，第一计算单元20还包括：

通过ntc电阻测量电路的分压电路测量热敏电阻压降值；

通过查表得到与热敏电阻压降值相对应的基板温度。

根据本发明的示例性实施例，第二计算单元30包括：

根据功率模块版图建立功率模块有限元模型，并通过模块生产商提供的瞬态热阻曲线对功率模块有限元模型进行修正；

对修正的功率模块有限元模型进行仿真，依次得到所有开关器件的结温响应曲线和热敏电阻温度变化曲线；

根据结温响应曲线和热敏电阻温度变化曲线，依次求得所有开关器件的热阻抗曲线，其中，热阻抗包括自热阻抗和耦合热阻抗；

对所述热阻抗曲线进行数据拟合得到热阻抗表达式；

根据热阻抗表达式得到二阶foster热阻抗等效电路，并根据二阶foster热阻抗等效电路建立热阻网络模型。

根据本发明的示例性实施例，第二计算单元30还包括：

根据公式(1)计算结温温升。

本发明实施例提供的计算igbt模块瞬态结温的系统，与上述实施例提供的计算igbt模块瞬态结温的方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。本发明以igbt模块中内置ntc所提供的温度信息作为参考温度，同时考虑功率模块内部芯片之间的热耦合，建立一个更简化的igbt模块电热耦合模型实现igbt瞬时工作结温的在线获取。本发明既充分利用功率模块内部已有的热敏电阻资源，无需额外增加温度传感器来获取基准温度；又简化了传统foster网络的结构，从去掉了基板层到散热器层的热网络建模过程；具有系统结构简单，精度高，计算量少，响应速度快的特点。从而实现为变流器系统的安全运行和健康管理提供精确的功率器件结温信息的目的。

本发明实施例所提供的计算igbt模块瞬态结温的方法和系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。