一种快速的不对称半桥型功率变换器结温预测方法技术

本发明专利技术属于功率变换器结温预测技术领域，一种不对称半桥型功率变换器三维阻容热网络结温预测方法。本方法对不同负载情况下的不对称半桥型功率变换器中功率器件进行结温预测，不仅考虑结温耦合因素，还考虑边界条件解耦，建立三维阻容热网络模型，实现有效的功率器件结温预测。首先，从不对称半桥型功率变换器中获取不同负载条件下的瞬态损耗分布；其次，建立不对称半桥型功率变换器的有限元模型，将所得瞬态损耗作为热载荷输入，依据有限元热应力仿真提取耦合热阻抗和边界解耦热阻抗；然后，通过电热比拟理论和曲线拟合的方法得出耦合热阻抗和散热边界条件的表达式；最后，使用受控电压源表示热耦合阻抗关系，使用子散热器热阻抗表示不同的散热边界条件，构建三维阻容热网络模型，实现功率器件的结温预测。

A Fast Method for Predicting Junction Temperature of Asymmetric Half-Bridge Power Converter

The invention belongs to the technical field of junction temperature prediction of power converter, and is a three-dimensional junction temperature prediction method of asymmetric half-bridge power converter with resistance and capacitance heat network. This method predicts the junction temperature of power devices in asymmetric half-bridge power converters under different loads. It not only considers the junction temperature coupling factor, but also considers the decoupling of boundary conditions, and establishes a three-dimensional resistance-capacitance heat network model to achieve effective junction temperature prediction of power devices. Firstly, the transient loss distribution under different load conditions is obtained from the asymmetric half-bridge power converter; secondly, the finite element model of the asymmetric half-bridge power converter is established, and the transient loss is taken as the thermal load input, and the coupled thermal impedance and boundary decoupled thermal impedance are extracted from the finite element thermal stress simulation; secondly, the electrothermal analogy theory and the curve fitting method are used. The expressions of coupled thermal impedance and heat dissipation boundary conditions are obtained. Finally, the controlled voltage source is used to represent the thermal coupling impedance relationship, and the thermal impedance of the sub-radiator is used to represent different heat dissipation boundary conditions. A three-dimensional heat resistor-capacitor network model is constructed to predict the junction temperature of power devices.

【技术实现步骤摘要】
一种快速的不对称半桥型功率变换器结温预测方法
本专利技术涉及一种开关磁阻电机不对称半桥功率变换器功率器件的结点温度预测方法，尤其适用于不同相数和不同功率等级的不对称半桥功率变换器。
技术介绍
不对称半桥功率变换器功率器件的结点温度预测是开关磁阻电机系统可靠运行的基础。通常情况下，可以通过建立变换器的有限元热模型得到功率器件的结点温度，但是有限元模型不合理的求解时间会严重降低结点温度的预测速度，尤其是在可靠性定向优化的领域。虽然以福斯特(Foster)模型和考尔(Cauer)模型为代表的一维阻容网络能够快速的得到结点温度，但是一维阻容网络只适用单个器件或耦合较小的功率变换器。由于开关磁阻电机不对称半桥功率变换器拓扑的特殊性，导致现在几乎没有集成的变换器模块，因此通常采用单独的MOSFET和二极管进行变换器的搭建，进而导致功率器件通过散热器热耦合而不是在功率器件内部热耦合，因此会产生强烈的热耦合现象。同时由于开关磁阻电机独特的控制方式，会导致同一相相同类型器件承受不同的电应力，从而进一步加剧了热分布的不平衡性。为了充分反映热耦合和热分布对结温预测的影响，本专利技术提出了基于三维阻容网络的结温预测方法。本专利技术所提出的结温预测模型能够快速和准确的获得不对称半桥功率变换器功率器件的结点温度，有助于加快热设计进程，实现快速的可靠性评估，具有很高的应用价值和实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器，提出一种三维阻容热网络结温预测方法，其特征在于建立一种新型三维阻容热网络模型，考虑热耦合因素和散热边界条件解耦问题，实现功率变换器中功率器件的结温预测。本专利技术提出的基于热耦合作用和散热边界条件解耦的不对称半桥型功率变换器结温预测方法：1)首先，从不对称功率变换器中获取不同负载条件下的瞬态损耗分布，其中开关器件的损耗功率ploss_Si主要包括导通损耗pcon_Si和开关损耗psw_Si，二极管损耗功率ploss_Di主要包括导通损耗pcon_Di和反向恢复损耗prec_Di，(i＝1,2,3…)，其计算方法如式(1)和式(2)所示；ploss_Si＝pcon_Si+psw_Si(1)ploss_Di＝pcon_Di+prec_Di(2)2)其次，建立四相不对称半桥型功率变换器的有限元模型，设置模型中材料的热属性和自然对流换热条件，分别将所得瞬态损耗ploss_Si和ploss_Di作为功率变换器中的开关器件Si和二极管Di的热载荷输入，进行有限元热应力仿真分析，依据所得有限元热应力仿真结果，提取功率器件关键节点的温升曲线Tj和Tc，计算功率开关器件Si和二极管Di的热阻抗Zjc，并通过电热比拟理论和曲线拟合的方法，得出热阻抗Zjc_S和Zjc_D的表达式，如式(3)和式(4)所示；3)然后，在功率变换器的散热器上分别选取表示不同散热边界条件节点H，计算各节点的散热边界条件热阻抗Zha_Si和Zha_Di，并提取每个功率器件k(k＝S1,D1,S2,D2…)受到的热耦合影响而造成的结温温升曲线Tkcouple，计算器件j与器件k之间的耦合阻抗Zk-j，获取热耦合阻抗矩阵如式(5)和式(6)所示；4)最后，在环境温度为Ta的条件下，使用受控电压源表示热耦合阻抗关系Tkcouple，使用子散热器热阻抗表示不同的散热边界条件Zha_Si和Zha_Di，使用理想电流源作为热载荷输入ploss，如式(7)所示，构建三维阻容热网络模型，Tj_Si和Tj_Di即为功率器件的结温预测结果。附图说明图1是本专利技术的四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器拓扑结构图。图2是本专利技术的四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器有限元模型整体示意图。图3是本专利技术的四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器有限元模型横剖面示意图。图4是本专利技术的四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器功率器件Cauer型热网络模型示意图。图5是本专利技术的四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器提取典型位置子散热阻抗示意图。图6是本专利技术的不对称半桥型功率变换器考虑热耦合作用和散热边界条件解耦的三维结温预测模型结构示意图。图7是本专利技术结温预测的流程图。具体实施方式下面结合附图中的实施例对本专利技术作进一步的描述：如图1所示为四相8/6开关磁阻电机系统不对称半桥型功率变换器电路拓扑结构，LA、LB、LC、LD表示开关磁阻电机A、B、C、D四相绕组，每相均具备两个功率开关器件和两个续流二极管，功率变换器中所有器件安装在一个散热器表面，其中，A相桥臂的上开关管S1和上续流二极管D1并列排布一行，下续流二极管D2和下开关管S2并列排布一行，B、C、D相排布方式与A相相似，并利用有限元工具建立功率变换器的有限元模型，如图2所示。图3所示为不对称半桥型功率变换器有限元模型的横剖面，节点J表示器件的芯片层，节点C为功率器件的壳层，节点H位于散热器表面，节点A表示自然环境。本专利技术主要进行功率器件热阻抗Zjc、导热硅脂热阻抗Zch、散热器热阻抗Zha以及器件热耦合阻抗的提取。针对不对称半桥型功率变换器的三维阻容热网络结温预测方法具体如下：首先，在有限元模型中对第i个(i＝S1,D1,S2,D2,…)器件的芯片层施加Pi＝1W热载荷，提取芯片层结温Tj、壳温Tc和导热硅脂下表面温度Th的单位阶跃响应曲线，根据式(1)计算得到器件热阻抗函数Zjc(t)，根据式(2)计算得到导热硅脂热阻抗函数Zch(t)。将器件热阻抗函数Zjc(t)转换为式(3)形式后，进行拉普拉斯变换得到在复频域的表达式(4)，其中参数Rm和Cm为Cauer型热网络的参数，一般取n＝4阶即可满足精度要求。使用相同的步骤可以提取导热硅脂层的热阻抗Zch的Cauer型热网络的参数，具体参数如表1所示。使用Cauer型热网络结构表示功率器件的热路结构，每个器件的损耗功率Pi为热路的热载荷，热量将从器件的节点J流向节点C，并通过导热硅脂层和散热器扩散到自然环境节点A，如图4所示。表1然后，在有限元模型中对第i个器件的芯片层再次重新施加Pi＝1W热载荷，在器件之间的热耦合作用下，提取第k(k≠i)个器件的结温温升ΔTk，依据式(5)计算器件i与器件k之间的热耦合阻抗Zk-i，从而器件i因热耦合作用而引起的温升可以通过式(6)表示；其次，提取子散热阻抗Zha_i实现散热边界条件解耦，分别在四个典型位置(S1、D1、S3和D3)的散热器表面施加单位热载荷1W，分别提取每个器件中心下方的散热器表面温升ΔTH，如图5所示，使用与式(4)相同的方法计算每个器件所对应的子散热阻抗Zha_i。其中，将散热器视为由每个器件的子散热阻抗Zha_i组成，所有器件在散热器表面呈现对称分布，这四个典型位置的子散热阻抗代表了所有不同的散热边界条件。最后，利用电阻Zja_i表示自身热路上所有阻抗之和，如式(7)所示，环境温度为Ta，每个功率器件结温的预测结果可以表示为式(8)所示的结温矩阵，从而可以构建三维阻容热网络，如图6所示。利用幅值为的恒定电压源表示器件之间存在的热耦合作用，利用每个器件不同的子散热阻抗Zha_i表示解耦散热边界条件，利用幅值为Pi的恒定电流源作为三维阻容热网络的热载荷输入，每个器件热路的节点J电压幅值Tj_i即为结温预测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不对称半桥型功率变换器三维阻容热网络结温预测方法，其特征在于建立一种新型三维阻容热网络模型，考虑热耦合因素和散热边界条件解耦问题，实现功率变换器中功率器件的结温预测，其步骤如下：1)首先，从不对称功率变换器中获取不同负载条件下的瞬态损耗分布，其中开关器件的损耗功率ploss_Si主要包括导通损耗pcon_Si和开关损耗psw_Si，二极管损耗功率ploss_Di主要包括导通损耗pcon_Di和反向恢复损耗prec_Di，(i＝1,2,3…)，其计算方法如式(1)和式(2)所示；ploss_Si＝pcon_Si+psw_Si  (1)ploss_Di＝pcon_Di+prec_Di  (2)2)其次，建立四相不对称半桥型功率变换器的有限元模型，设置模型中材料的热属性和自然对流换热条件，分别将所得瞬态损耗ploss_Si和ploss_Di作为功率变换器中的开关器件Si和二极管Di的热载荷输入，进行有限元热应力仿真分析，依据所得有限元热应力仿真结果，提取功率器件关键节点的温升曲线Tj和Tc，计算功率开关器件Si和二极管Di的热阻抗Zjc，并通过电热比拟理论和曲线拟合的方法，得出热阻抗Zjc_S和Zjc_D的表达式，如式(3)和式(4)所示；...

【技术特征摘要】
1.一种不对称半桥型功率变换器三维阻容热网络结温预测方法，其特征在于建立一种新型三维阻容热网络模型，考虑热耦合因素和散热边界条件解耦问题，实现功率变换器中功率器件的结温预测，其步骤如下：1)首先，从不对称功率变换器中获取不同负载条件下的瞬态损耗分布，其中开关器件的损耗功率ploss_Si主要包括导通损耗pcon_Si和开关损耗psw_Si，二极管损耗功率ploss_Di主要包括导通损耗pcon_Di和反向恢复损耗prec_Di，(i＝1,2,3…)，其计算方法如式(1)和式(2)所示；ploss_Si＝pcon_Si+psw_Si(1)ploss_Di＝pcon_Di+prec_Di(2)2)其次，建立四相不对称半桥型功率变换器的有限元模型，设置模型中材料的热属性和自然对流换热条件，分别将所得瞬态损耗ploss_Si和ploss_Di作为功率变换器中的开关器件Si和二极管Di的热载荷输入，进行有限元热应力仿真分析，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昊，董锋，徐帅，杨剑，唐琛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32