CN112464443A - 一种用于电力电子变流器igbt结温波动的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，具体为：采集计算功率损耗所需的变流器级变量，对交流侧输出电流进行傅里叶分解，获取流经所分析IGBT电流表达式；分别计算交流侧电流峰值所对应的开关损耗和导通损耗，进而得到分析的IGBT在整个基波周期的功率损耗；结合Foster热网络模型，推导出基波周期内的结温波动表达式，对结温波动表达式进行求导，得到最大、最小结温发生时间点；根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值。本发明可以实现IGBT结温波动的快速计算，并且计算结果精确、全面、可靠。

Description

一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法

技术领域

本发明属于电力电子变流器的可靠性分析及状态监测领域，尤其涉及一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法。

背景技术

在过去的几十年中，虽然各工业领域一直致力于寻求更高的效率和更低的成本的电力电子变流器，但可靠性问题不断涌现并变得越来越重要，因为电力电子变流器大量计划外维护成为降低能源成本的主要障碍之一。同时，为了提高电力电子变流器的竞争力，如何在满足可靠性目标的同时降低设计裕度成为面临的挑战之一。IGBT(insulated gatebipolar transistor)作为电力电子变流器的核心部件，被誉为电力电子变流器的‘CPU’，其可靠性的程度对于电力电子变流器的可靠性至关重要。而IGBT的可靠性与结温波动密切相关，有研究表明：结温波动每提高10℃，IGBT的寿命将降低一半。因此，IGBT的结温波动计算对于电力电子变流器的可靠性评估及变流器运行状态监测至关重要。

近年来，提出了一些IGBT的结温波动计算方法。张毅，王怀等人提出了一种适用于模块化多电平逆变器周期性功率损耗下的热建模简化方法，即利用半正弦损耗曲线对IGBT的不规则损耗任务面进行转换并进行离散化等效，实现了IGBT的结温波动较为精确的计算。J.J.Nelson,G.Venkataramanan等人将功率损耗函数和热网络模型均转换到频域内，然后基于频域分析计算出IGBT结温。M.Ouhab,Z.Khatir等人在电机牵引的IGBT功率损耗计算中考虑了调制策略、功率因数等因素，提高了结温计算的精度。王希平，李志刚等人利用矩形脉冲损耗对原始损耗进行等效，然后结合热网络进行结温迭代计算，实现了结温较为快速的计算。

目前提出的IGBT结温波动计算方法中，对于功率损耗的计算多采用半正弦曲线进行等效，导致损耗计算的不精确，并进一步进给结温计算引入误差；除此之外，目前的可靠性分析的寿命模型主要关注的结温波动，仅需要计算出最大、最小结温值，因此，其他时间点的结温估计导致了迭代计算中大量的计算冗余，严重增加了结温的计算时间和计算量。

发明内容

为了解决以上问题，本发明公开了一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法。

本发明的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：采集计算功率损耗所需的变流器级变量，对交流侧输出相电流进行傅里叶分解，获取流经IGBT的电流表达式，具体为：

对于相电流，进行傅里叶分解可表示为：

式中：c₀为直流分量值，c_k，d_k分别为正弦分量和余弦分量的峰值，k为谐波次数，w为基波角频率，且w＝2πf₀，f₀为基波频率。

在逆变器中，通过控制IGBT的导通次数和导通时间来达到控制的效果，因此，IGBT中的电流是不连续的。但是，单相桥臂上IGBT和互补反并联二极管中的电流之和等于正(上IGBT和下二极管)或负(下IGBT和上二极管)相电流，在IGBT和反并联二极管中流动的相电流可以等效为半波整流正弦波，对于表示(1)中各谐波分量的幅值满足以下关系：

式中：

为相电流的峰值。

对于流经IGBT的半正弦相电流，进一步表示为：

对所分析的并网逆变器的半正弦相电流，选取四个分量可实现对其进行较好的描述，即进一步表示为：

对于计算IGBT功率损耗所需外部变量还包括：直流母线电压、开关频率、基波频率和功率因数。

步骤2：分别计算交流侧电流峰值所对应的开关损耗和导通损耗，进而得到分析的IGBT在整个基波周期的功率损耗，具体为：

开关损耗与直流侧电压V_DC，流经IGBT的电流以及结温T_j相关，交流侧电流峰值所对应的开关损耗表达式如下：

式中：f_switching为IGBT模块的开关频率，E_on、E_off分别为在IGBT的Datasheet中查找到的在

T_j,V_DC条件下对应的IGBT开通损耗、关断损耗。

根据IGBT的输出特性和开关损耗曲线，功率损耗近似认为与流经IGBT的电流呈线性关系，由此可得出单个基波周期内的开关损耗，表示为：

导通损耗主要与流经IGBT的电流和结温相关，因此峰值电流对应下的导通损耗表示为：

由于IGBT在单个基波周期内的导通损耗还与IGBT的占空比相关，对于分析的SPWM调制下逆变器，占空比表示为：

式中：M为调制度。

因此，单个基波周期内的导通损耗表示为：

IGBT在整个基波周期的功率损耗表示为：

式中：P_Loss(t)为单个基波周期的功率损耗，

为峰值电流对应的开关损耗，

为峰值电流对应的导通损耗，M为调制度，其与变流器输出相电流幅值息息相关。

步骤3：结合Foster热网络模型，推导出基波周期内的结温波动表达式，对结温波动表达式进行求导，得到最大、最小结温发生时间点，具体为：

Foster热网络模型如下：

式中：R_THj，τ_THj分别为第j阶热阻值和热时间常数，τ_THj＝R_THj·C_THj，C_THj为第j阶热容值，m为等效热网络的阶数，数据手册提供的热网络模型的阶数通常为4，且提供了热网络模型每阶的具体数值。

从IGBT的功率损耗表达式可看出，其组成分量同样分为直流分量以及不同频率下的三角函数分量，因此对于单个基波周期内结温波动可分别计算三种分量下的结温波动并进行求和。

以正弦分量为例进行分析，通过离散化进行迭代分析，可得正弦分量下的结温波动表达式为：

式中，ΔT_Refj，j＝1，2，3，4分别为所分析基波周期结温波动初始值在对应各阶热网络上的分量，其计算通过上一个基波周期计算获取，在整个任务剖面的结温波动的第一个基波计算周期，ΔT_Refj，j＝1，2，3，4各分量值均为0。

同理可得到余弦分量和直流分量下的结温波动表示式分别为：

以上为基波周期下结温波动表达式，对于各谐波分量下的结温波动计算，只需要用谐波分量的频率和幅值替换以上推导出来的基波周期下频率和幅值即可。

对于IGBT结温波动，结合上式的推导结果，获得各损耗分量下结温波动并求和，即可结温波动的最终表示式。

对获取结温波动表达式进行求导，并令其等于0，获取最大、最小结温时间点。

步骤4：根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值。

步骤5：根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值；反复进行迭代步骤1到步骤4，从而获取整个分析任务剖面的结温波动信息。

本发明与现有技术相比的有益技术效果为：

(1)本发明基于交流电流傅里叶分解的功率损耗分析可以更快且更为精确地计算出IGBT的功率损耗；

(2)本发明基于结温特性分析估计最大、最小结温计算使得计算结果更为精确；

(3)本发明仅计算可靠性和实际工程应用中更为关注的结温信息，避免了结温迭代计算中大量计算冗余，实现了结温波动的快速计算。

附图说明

图1为本发明实施例中并网逆变器等效电路示意图。

图2为本发明实施例中单相桥臂上IGBT和二极管的相电流。

图3为本发明实施例中所分析的IGBT模块不同温度下的开通损耗特性曲线。

图4为本发明实施例中所分析的IGBT模块不同温度下的关断损耗特性曲线。

图5为本发明实施例中所分析的IGBT模块不同温度下的导通输出特性曲线。

图6为本发明实施例中公式计算功率损耗与PLECS仿真功率损耗对比图。

图7为本发明实施例中结温计算使用的Foster热网络模型图。

图8为本发明实施例中功率损耗到结温的转换示意图。

图9为本发明实施例中正弦功率损耗下的离散化示意图。

图10为本发明实施例中估计结温和PLECS仿真结温对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：采集计算功率损耗所需的变流器级变量，对交流侧输出电流进行傅里叶分解，获取流经IGBT的电流表达式。

对于所分析的电力电子变流器以等比例缩小的三相并网逆变器为例，其等效电路图如图1所示，图中L为滤波电感值，C为滤波电容值，L_g为电网的等效阻抗值，V_a，V_b，V_c为电网等效电压有效值。由于变流器中IGBT工作对称性，因此任选其中一个IGBT模块作为分析的对象，本次分析选取A相上桥臂的IGBT。表1给出三相逆变器主要参数，以及逆变器使用的IGBT具体型号，其额定电流为50A，额定电压为1200V；除此之外，逆变器的输出电流有效值为25A。

表1并网逆变器参数

将相电流进行傅里叶分解，可以表示为：

式中：c₀为直流分量值，c_k，d_k分别为正弦分量和余弦分量的峰值，k为谐波次数，w为基波角频率，且w＝2πf₀，f₀为基波频率。

在逆变器中，通过控制IGBT的导通次数和导通时间来达到控制的效果，因此，IGBT中的电流是不连续的。但是，单相桥臂上IGBT和互补反并联二极管中的电流之和等于正(上IGBT和下二极管)或负(下IGBT和上二极管)相电流，如图2所示，在IGBT和反并联二极管中流动的相电流可以等效为半波整流正弦波，因此，其电流表达式各分量的系数满足如下关系：

式中，

为相电流的峰值。

进一步，对于流经IGBT的半正弦相电流可以表示为如下所示：

当然，选取谐波分量越多，对流经IGBT的相电流也越精确，但是将会给后期的损耗及结温带来更高的计算负担。对于所分析的并网逆变器的半正弦相电流，选取四个分量可以实现对其进行较好的描述，即进一步表示为：

步骤2：分别计算交流侧电流峰值所对应的开关损耗和导通损耗，进而得到分析的IGBT在整个基波周期的功率损耗；

当获取到流经IGBT的电流，可以计算出IGBT的功率损耗。根据IGBT的输出特性和开关损耗曲线，功率损耗可以近似认为与流经IGBT的电流呈线性关系，因此，对于单个基波周期的功率损耗计算，只需要计算出峰值电流对应的功率损耗，这样可以避险逐个开关周期进行损耗计算带来的计算负担。

IGBT的功率损耗包括导通损耗和开关损耗。对于峰值电流对应下的开关损耗计算可以表示为：

可以看出，开关损耗主要与直流侧电压V_DC，流经IGBT的电流以及结温T_j密切相关，数据手册给出所分析的IGBT在不同温度下的开关损耗特性曲线，如图3、图4所示，其中测试的直流侧电压为600V。因此，对于获取所分析的IGBT在对应电压、电流、温度的下开关损耗，可以通过查找损耗特性曲线获取，或者通过对曲线拟合得到。

进一步，单个基波周期内的开关损耗可以表示为：

对于导通损耗，其主要与IGBT的输出特性密切相关，图5给出了所分析的IGBT模块不同温度下的导通输出特性曲线，可以看出，导通损耗主要与流经IGBT的电流和结温相关，因此峰值电流对应下的导通损耗可以表示为：

式中：

为对应

T_j下IGBT导通压降。

除此之外，前面已经提到，IGBT在单个基波周期内是间歇性导通的，流经IGBT的电流为断续的，因此IGBT在单个基波周期内的导通损耗还与IGBT的占空比密切相关，对于分析的SPWM调制下逆变器，占空比可以表示为：

式中：M为调制度，其与输出电流幅值息息相关，逆变器输出电流有效值为25A时，其调制度为0.63。

考虑占空比，单个基波周期内的导通损耗可以表示为：

进一步，可以得到单个基波周期内的IGBT功率损耗P_Loss(t)为：

PLECS(Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation)软件在进行功率损耗和热特性分析方面具有置信度较高的精确度，被学术界和工业界广泛认可。因此在MATLAB/Simulink下搭建电气仿真模型，然后结合PLECS进行联合仿真，将其仿真结果与提出的损耗计算方法进行对比分析，具体对比结果如图6所示。从图中可以看出，所提出的损耗计算方法可以精准描述实际的损耗。

在仿真分析中，对于单个基波周期内的功率损耗计算需要采用较高的采样频率对单个开关周期内损耗逐个进行计算，而所提出的损耗计算方法只需要采集交流侧输出电流的峰值，并且只需要计算该值下的功率损耗，避免了反复的损耗迭代计算，大大降低了功率损耗的计算量。

步骤3：结合Foster热网络模型，推导出基波周期内的结温波动表达式，对结温波动表达式进行求导，得到最大、最小结温发生时间点；

在进行结温波动计算之前，对热网络模型进行介绍，现有的热网络模型主要分为两种，分别Cauer模型和Foster模型。Cauer模型参数提取通常需要IGBT模块每个物理层的详细信息(例如：几何尺寸和材料特性)，而这些信息通常难以收集，因此限制了Cauer模型的应用。Foster模型参数则可以从容易获取的瞬态热响应中提取，所以Foster热网络模型广泛应用于IGBT快速结温估计，并且通常数据手册提供了四阶Foster热网络模型的具体参数，如图7所示，图中P_Loss为IGBT的功率损耗，T_case为IGBT模块的壳温，同时热网络可以描述为如下所示；

式中：R_THj，τ_THj分别为第j阶热阻值和热时间常数，τ_THj＝R_THj·C_THj，C_THj为第j阶热容值，m为等效热网络的阶数，数据手册提供的热网络模型的阶数通常为4，表2所分析型号的功率模块热网络参数的具体数值。

表2热网络参数值

从IGBT的功率损耗表达式可以看出，其组成分量同样可以分为直流分量以及不同频率下的三角函数分量，因此对于单个基波周期内结温波动可以分别计算三种分量下的结温波动并进行求和。

在求解三种损耗分量下的结温波动之前，对所需的功率损耗—结温转换理论进行介绍。

当功率损耗为图8所示的一系列矩形脉冲时，通过如下所示可以将功率损耗转化为结温剖面。

式中，ΔT_j(n-1)和P_Loss(n-1)分别是前一个时间间隔内的温度波动和功率损耗。ΔT_j(n)是当前分析时间间隔内的温度波动，P_Loss(n)是当前分析时间间隔内的功率损耗。

以正弦分量为例进行分析，当功率损耗为正弦曲线时，其功率损耗表达式为：

P＝P_{peak_sin}sin(2πf₀t)

式中，其中P_{peak_sin}是正弦功率损耗分量的峰值，f₀为交流电流的基波频率。

随机选择所分析的单个基波周期内的一个时间点t，图9所示，T₀是交流电流的基波周期。将所选时间段内的功率损耗曲线离散为n个矩形脉冲损耗，则当前所分析的时间点内的结温波动利用功率损耗—结温转换理论可以表示为：

式中，ΔT_Refj(j＝1，2，3，4)分别为所分析基波周期结温波动初始值(上一个基波周期结温波动末尾值)在对应各阶热网络上的分量，其计算通过上一个基波周期计算获取，在整个任务剖面的结温波动的第一个基波计算周期，ΔT_Refj(j＝1，2，3，4)各分量值均为0。

根据极限等效原理，离散矩形脉冲损耗的数量越多，等效功率损耗曲线与原始功率损耗曲线的重合度越好。根据牛顿-莱布尼兹积分定理，可以将离散损耗下表达式转换为如下所示的变限积分的形式：

同理可以得出当损耗为余弦以及直流分量时的结温波动可以进行类似的所示。

当为余弦损耗时：

式中，P_{peak_cos}是余弦功率损耗分量的峰值。

当为直流分量时：

式中，P_constant为直流分量的幅值。

以上的分析为基波周期下结温波动表达式，对于各谐波分量下的结温波动计算，只需要用谐波分量的频率和幅值替换以上推导出来的基波周期下频率和幅值即可。

对于所实施例中的IGBT结温波动，结合上式的推导结果，获得各损耗分量下结温波动并求和，即可结温波动的最终表示式。

对获取结温波动表达式进行求导，并令其等于0，可以获取最大、最小结温时间点。

步骤4：根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值；

根据获取的结温时间点进一步得到最大、最小结温，进而得到可靠性评估所关注的结温波动。除此之外，计算电流峰值对应时刻的温度主要用于基波周期的损耗计算，而基波周期末的结温波动四个分量值的计算是用于下次结温计算迭代。

因为基波频率较高，为了更好的展示单个基波周期内的结温的变化过程，选取0.5秒的仿真时间，将电热联合仿真计算的结温剖面和所提的结温计算方法获取结温剖面进行对比分析，其中对比结果如图10所示。

可以看出，所提的结温波动计算方法可以实现结温波动的精确计算，同时在结温的瞬态过程也展示出精确的估计，其中在计算的最大、最小结温信息中，与仿真偏差最大的值也小于0.5℃。同时获取仿真时间和所提方法的计算时间，其分别为：0.4s和0.3s，可以看出，所提出结温波动计算方法可以以更快的速度计算出关键的结温信息，即对于仿真时间为0.5s的任务剖面，所提算法可以在更少的时间内完成，因此所提出的结温计算方法可以进行集成到变流器的控制系统中，实现结温的实时估计，同时所提计算方法在单个基波周期内只计算四个结温信息，因此不需要过大的信息存储，解决了现有的结温计算方法中因信息存储问题导致无法在线实施的问题。除此之外，当结温达到稳态时，结温呈现等幅周期性波动，因此，每个基波周期内的最大、最小结温时间点固定，且基波周期结温波动的各初始值分量也保持一致，可以不需要进行结温再次迭代计算，直接将已经计算出来的上一个基波周期的结温信息直接赋值给下一个基波周期，这样可以进一步降低结温估计的计算量。

值得注意的是：在所提出结温波动计算方法中，当获取到功率损耗后，基于所提出的结温计算方法不会对结温计算造成误差，因此结温计算误差主要是由损耗计算的误差引起，而损耗的误差大小由选取的谐波分量个数来决定，个数越多，损耗越精确，计算的结温也越准确，但是结温计算的计算负担会进一步增加。因此，基于所提出的结温计算方法对变流器在其他工作模式下或调制策略下的结温计算，关键点是选取合适的谐波分量。

Claims (5)

1.一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集计算功率损耗所需的变流器级变量，对交流侧输出相电流进行傅里叶分解，获取流经IGBT的电流，表达式如下：

式中：

为相电流的峰值；

步骤2：分别计算交流侧电流峰值所对应的开关损耗和导通损耗，进而得到分析的IGBT在整个基波周期的功率损耗，表达式如下：

式中：P_Loss(t)为单个基波周期的功率损耗，

为峰值电流对应的开关损耗，

为峰值电流对应的导通损耗，M为调制度，其与变流器输出相电流幅值息息相关；

步骤3：结合Foster热网络模型，推导出基波周期内的结温波动表达式，对结温波动表达式进行求导，得到最大、最小结温发生时间点；

步骤4：根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值。

2.根据权利要求1所述的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

对于相电流，进行傅里叶分解可表示为：

式中：c₀为直流分量值，c_k，d_k分别为正弦分量和余弦分量的峰值，k为谐波次数；w为基波角频率，且w＝2πf₀，f₀为基波频率；

由于IGBT的单向导通性，只有在相电流的半个周期内导通，因此流经IGBT的电流呈现半正弦波形，对于表达式(3)中各谐波分量的幅值满足以下关系：

式中：

为相电流的峰值；

对于流经IGBT的半正弦相电流，进一步表示为：

对所分析的并网逆变器的半正弦相电流，选取四个分量可实现对其进行较好的描述，即进一步表示为：

对于计算IGBT功率损耗所需外部变量还包括：直流母线电压、开关频率、基波频率和功率因数。

3.根据权利要求2所述的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

开关损耗与直流侧电压V_DC，流经IGBT的电流以及结温T_j相关，交流侧电流峰值所对应的开关损耗表达式如下：

式中：f_switching为IGBT模块的开关频率，E_on、E_off分别为在IGBT的Datasheet中查找到的在

T_j,V_DC条件下对应的IGBT开通损耗、关断损耗；

根据IGBT的输出特性和开关损耗曲线，功率损耗近似认为与流经IGBT的电流呈线性关系，由此可得出单个基波周期内的开关损耗，表示为：

导通损耗主要与流经IGBT的电流和结温相关，因此峰值电流对应下的导通损耗表示为：

由于IGBT在单个基波周期内的导通损耗还与IGBT的占空比相关，对于分析的SPWM调制下逆变器，占空比表示为：

式中：M为调制度；

因此，单个基波周期内的导通损耗表示为：

4.根据权利要求3所述的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

Foster热网络模型如下：

式中：R_THj，τ_THj分别为第j阶热阻值和热时间常数，τ_THj＝R_THj·C_THj，C_THj为第j阶热容值，m为等效热网络的阶数，数据手册提供的热网络模型的阶数为4，且提供了热网络模型每阶的具体数值；

从IGBT的功率损耗表达式可看出，其组成分量同样分为直流分量以及不同频率下的三角函数分量，因此对于单个基波周期内结温波动可分别计算三种分量下的结温波动并进行求和；

在正弦分量中，通过离散化进行迭代分析，可得正弦分量下的结温波动表达式为：

式中，ΔT_Refj，j＝1，2，3，4分别为所分析基波周期结温波动初始值在对应各阶热网络上的分量，其计算通过上一个基波周期计算获取，在整个任务剖面的结温波动的第一个基波计算周期，ΔT_Refj，j＝1，2，3，4各分量值均为0；

同理可得到余弦分量和直流分量下的结温波动表示式分别为：

以上为基波周期下结温波动表达式，对于各谐波分量下的结温波动计算，只需要用谐波分量的频率和幅值替换以上推导出来的基波周期下频率和幅值即可；

对于IGBT结温波动，结合上式的推导结果，获得各损耗分量下结温波动并求和，即可结温波动的最终表示式；

对获取结温波动表达式进行求导，并令其等于0，获取最大、最小结温时间点。

5.根据权利要求3所述的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤5：根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值；反复进行迭代步骤1到步骤4，从而获取整个分析任务剖面的结温波动信息。

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