[发明专利]一种IGBT功率模块在线估算结温的方法

说明书

一种IGBT功率模块在线估算结温的方法，包括步骤：热敏电参数法估算结温，扩展状态空间热模型的建立，卡尔曼滤波器在结温估算中的应用。热敏电参数法可以实时估算IGBT功率模块的结温，选取IGBT导通压降V_CE(ON)为热敏电参数，并且提出了一种V_CE(ON)在线测量电路；在Foster热网络模型的基础上，考虑了二极管耦合的影响，提出了包括自热和耦合热的扩展状态空间热模型；将二极管和IGBT的功率损耗以及利用热敏电参数法得到的结温估算值作为Kalman滤波器的输入，考虑测量噪声和过程噪声，从而得到最优的结温估算值。本发明方法做到了电气绝缘，不需要改变功率变流器的控制策略来进行测量，减少了噪声并消除了电压测量的间歇性的影响，提高了结温测量精度。

技术领域

本发明属于电力电子和电子信息科学领域，具体涉及一种IGBT功率模块在线估算结温的方法，利用卡尔曼滤波器得到结温的最优估计值。

背景技术

功率变流器在智能电网、轨道交通与新能源等领域广泛应用，而绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流装置的关键器件，其可靠性是系统安全运行的保障。因此对IGBT的状态监测和寿命预测极其重要，IGBT功率模块失效形式很多，而温度是是导致其失效的主要因素，因此热分析是IGBT功率模块状态评估中的重要内容，实时测取IGBT功率模块结温对于提高系统的可靠性具有重要的意义。

申请号为201810036617.7、公开号为108108573A的专利申请文件公开了一种IGBT功率模块结温动态预测方法，基于固定热模型的方法计算结温，但无法补偿由于老化和冷却条件的影响而导致的热路径退化。申请号为201710334867.4、公开号为107192934A的专利申请文件公开了一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，利用热敏参数法测量大功率IGBT在冷却过程中结温的降温曲线，同时利用热电偶法获取IGBT壳温的降温曲线，但是测量误差和工作条件的变化会影响其估计值，且热电偶故障率高，维修困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种IGBT功率模块在线估算结温的方法，实现了电气绝缘，不需要改变功率变流器的控制策略来进行测量，减少了噪声并消除了电压测量的间歇性的影响，提高了结温测量的精度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种IGBT功率模块在线估算结温的方法，包括以下步骤：

步骤一：基于电力电子仿真软件Saber搭建全桥逆变器电路以及V_CE(ON)在线测量电路，将V_CE(ON)在线测量电路的两输入端接在全桥逆变器电路的IGBT的集电极和发射极，实现全桥逆变器电路与V_CE(ON)在线测量电路的连接；

步骤二：对于连接后的全桥逆变器电路与V_CE(ON)在线测量电路，获取IGBT导通压降V_CE(ON)，利用热敏电参数法，得到IGBT导通压降V_CE(ON)和IGBT功率模块结温T_j的定标曲线及拟合关系式；

步骤三：基于步骤一搭建的全桥逆变器电路，建立由一个IGBT和一个对应的二极管构成的IGBT功率模块的行为模型，对其静态和动态特性进行仿真分析，计算得到IGBT的开关损耗以及导通损耗、二极管的反向恢复损耗以及导通损耗；

步骤四：考虑步骤三IGBT功率模块中IGBT和二极管之间的耦合作用，建立IGBT功率模块的扩展状态空间热模型；

步骤五：建立Kalman滤波器(即卡尔曼滤波器)的系统模型，将步骤二得到的结温、步骤三得到的IGBT的开关损耗以及导通损耗、步骤三得到的二极管的反向恢复损耗以及导通损耗作为滤波器输入，计算得到结温的最优估算值。