多电平功率变换器状态监测系统及功率器件损耗计算方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多电平功率变换器状态监测系统及功率器件损耗计算方法，其技术特点是：该多电平功率变换器状态监测系统包括系统控制器、门极电压同步采样模块、集‑射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块、驱动信号触发与封锁模块；该功率器件损耗计算方法包括计算IGBT通态损耗、IGBT开通损耗、IGBT关断损耗、续流二极管通态损耗、续流二极管反向恢复损耗并通过IGBT内部热模型计算出各层的温升情况。本发明专利技术能够实时采集多电平功率变换器内功率器件的状态参数，及时发现功率器件的问题及进行处理，保证了多电平功率变换器的安全可靠地工作，并且提高了功率模块的损耗的计算精度，各项指标满足工程实际需求；对于提高系统可靠性具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
多电平功率变换器状态监测系统及功率器件损耗计算方法
本专利技术属于多电平功率变换器
，尤其是一种多电平功率变换器状态监测系统及功率器件损耗计算方法。
技术介绍
随着电力电子能量变换领域(如功率变换器和电机传动等)中IGBT模块的广泛应用，IGBT模块的可靠性变得越来越重要。究其原因，主要有以下两点：(1)IGBT模块是电力电子系统实现换流的最重要部件，因而其工作的条件比较恶劣，且较容易发生故障；(2)在大功率电力电子变换器中，功率器件、系统和设备的体积将变得越来越小，这使得不断增加单位功率密度的系统的散热问题变得日益突出。因而，电力电子系统热性能的研究已经成为了亟待解决的问题。以往大部分的研究成果主要倾向于研究如何提高系统的功率密度，而研究功率器件或者电力电子系统的发热和散热问题较少。所以，不难得出以下结论，电力电子系统的工作性能的优劣既与其拓扑结构的形式和控制策略的选择等因素有关，又与其功率器件或系统的热性能有关。在多电平功率变换器中IGBT和二极管作为开关工作，不断地转换各种静态和动态循环的状态。在这种情况下就会产生功耗或者能量成分的损失，它们构成了半导体元件的总损耗，并使功率半导体元件升温。IGBT的损耗包括通态损耗和开关损耗。工程大部分情况下通过通态电流和通态电压的乘积再乘以占空比来实现来估算IGBT的通态损耗值，然而由于采用了PWM脉冲控制，占空比是变化不定的，计算出的结果与实际损耗有较大偏差。开关损耗很多情况是通过查阅器件厂商的开关损耗曲线来获得，但是器件厂商提供的开关损耗曲线都是在特定温度、栅射极电压、集射极电压和特定开关频率下的值，很难满足实际情况，因此，利用器件厂商提供的开关损耗曲线来估算开关损耗值也有一定失准性。
技术实现思路
本专利技术的目地在于克服现有技术的不足，提出一种多电平功率变换器状态监测系统及功率器件损耗计算方法，解决对多电平功率变换器进行实时在线监测问题以及多电平功率变换器内功率器件损耗的准确计算问题。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种多电平功率变换器状态监测系统，包括系统控制器、门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块、驱动信号触发与封锁模块；所述门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块的输入端与多电平功率变换器相连接分别采集门极电压、集-射极电压和底板温度，所述门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块的输出端与系统控制器相连接，所述系统控制器输出控制信号给驱动信号触发与封锁模块，所述驱动信号触发与封锁模块与多电平多电平功率变换器相连接。所述系统控制器系统控制器内置有信号处理及故障转换模块以及与信号处理及故障转换模块相连接的第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块、控制信号输出模块；所述第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块分别与门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块相连接，所述控制信号输出模块与驱动信号触发与封锁模块相连接。所述门极电压同步采样模块由门极电压同步采样电路及第一信号调理模块连接构成，所述门极电压同步采样电路输入端与多电平功率变换器相连接相连接，所述第一信号调理模块输出端与系统控制器相连接。所述集-射极电压/电流同步采样模块由集-射极电压同步采用电路及第二信号调理模块连接构成，所述集-射极电压/电流同步采样电路输入端与多电平功率变换器相连接相连接，所述第二信号调理模块输出端与系统控制器相连接。所述底板温度采样模块由底板温度采样模块、温度变换模块及第三信号调理模块依次连接构成，所述底板温度采样电路输入端与多电平功率变换器相连接相连接，所述第三信号调理模块输出端与系统控制器相连接。所述驱动信号触发与封锁模块由驱动信号触发与封锁电路及第四信号调理电路连接构成，所述第四信号调理电路输入端与系统控制器相连接，所述驱动信号触发与封锁电路输出端与多电平功率变换器相连接。所述系统控制器还与上位机相连接并将多电平功率变换器状态监测信息传输给上位机。一种多电平功率变换器状态监测系统的功率器件损耗计算方法，包括以下步骤：步骤1、采用如下公式计算IGBT通态损耗：其中，vCE为集电极-发射极饱和压降，iC为集电极电流，VCE0为集电极电流iC为零时的极间压降，VCEN、ICN为额定状态下的压降和集电极电流，rCE为通态电阻：ICM为集电极电流峰值，k为采样序号，Tc为载波周期，N为载波比，M为载波比，δ为PWM占空比，θ为相角。步骤2、采用如下公式计算IGBT开通损耗：其中，fs为IGBT开关频率，trN为额定状态下的开通时间，VC为集电极发射极电源电压；步骤3、采用如下公式计算IGBT关断损耗：其中，tfN为总额定下降时间；步骤4、采用如下公式计算续流二极管通态损耗：其中，vF、iF为二极管通态电压与电流，VF0为集电极电流为零时的二极管通态压降，rF为续流二极管通态电阻，VFN为额定状态下的电压降；步骤5、采用如下公式计算续流二极管反向恢复损耗：其中，IrrN为额定状态下的额定超调峰值电流；步骤6、通过IGBT内部热模型，计算出各层的温升情况：Rth＝Rthjc+Rthch+RthhaTj＝Ta+ΔTjc+ΔTch+ΔTha＝Ta+Ploss·(Rthjc+Rthch+Rthha)＝Ta+Ploss·Rth其中，Rth为总等效热阻，Rthjc为芯片-外壳热阻，Rthch为外壳-散热器热阻，Rthha为散热器-环境热阻，Tj为结温，△Tjc为芯片-外壳温差，Tc为壳温，△Tch为外壳-散热器温差，Th为散热器温度，△Tha为散热器-环境温差，Ta为环境温度，Ploss为总功率损耗。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术的在线监测系统通过门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块能够实时采集多电平功率变换器内功率器件的状态参数，及时发现功率器件的问题及进行处理，保证了多电平功率变换器的安全可靠地工作。2、本专利技术的在线监测系统还可以将实时在线监测的结果传送给上位机实现远程监测功能，方便了远程监控人员的使用3、本专利技术的功率器件损耗计算方法能够对IGBT模块和二极管的通态损耗、开关损耗进行了系统的计算推导，提高了功率模块的损耗的计算精度，各项指标满足工程实际需求；并且由于IGBT功率损耗的计算是进行系统热仿真、冷却设计的前提基础和必要条件，因此，通过较准确的对变频系统进行损耗计算，为系统的冷却设计和器件选型提供了理论依据。4、本专利技术的功率器件损耗计算方法能够准确计算多电平功率变换器内功率器件的损耗和结温估算，并通过探究IGBT模块内部的温度变化规律，对于提高系统可靠性具有重要的意义。附图说明图1是本专利技术的多电平功率变换器状态在线监测系统连接图；图2是现有多电平功率变换器拓扑图；图3是本专利技术的功率器件损耗计算模型框图；图4是IGBT模块内部层状结构剖面图；图5是多热源耦合下温度估算与实验结果对比。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述。一种多电平功率变换器状态监测系统，是针对图2所示的现有多电平功率变换器进行状态在线监测。如图1所示，多电平功率变换器状态监测系统包括系统控制器、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多电平功率变换器状态监测系统，其特征在于：包括系统控制器、门极电压同步采样模块、集‑射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块、驱动信号触发与封锁模块；所述门极电压同步采样模块、集‑射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块的输入端与多电平功率变换器相连接分别采集门极电压、集‑射极电压和底板温度，所述门极电压同步采样模块、集‑射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块的输出端与系统控制器相连接，所述系统控制器输出控制信号给驱动信号触发与封锁模块，所述驱动信号触发与封锁模块与多电平多电平功率变换器相连接。

【技术特征摘要】
1.一种多电平功率变换器状态监测系统，其特征在于：包括系统控制器、门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块、驱动信号触发与封锁模块；所述门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块的输入端与多电平功率变换器相连接分别采集门极电压、集-射极电压和底板温度，所述门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块的输出端与系统控制器相连接，所述系统控制器输出控制信号给驱动信号触发与封锁模块，所述驱动信号触发与封锁模块与多电平多电平功率变换器相连接。2.根据权利要求1所述的多电平功率变换器状态监测系统，其特征在于：所述系统控制器系统控制器内置有信号处理及故障转换模块以及与信号处理及故障转换模块相连接的第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块、控制信号输出模块；所述第一模数转换模块、第二模数转换模块、第三模数转换模块分别与门极电压同步采样模块、集-射极电压/电流同步采样模块、底板温度采样模块相连接，所述控制信号输出模块与驱动信号触发与封锁模块相连接。3.根据权利要求1所述的多电平功率变换器状态监测系统，其特征在于：所述门极电压同步采样模块由门极电压同步采样电路及第一信号调理模块连接构成，所述门极电压同步采样电路输入端与多电平功率变换器相连接相连接，所述第一信号调理模块输出端与系统控制器相连接。4.根据权利要求1所述的多电平功率变换器状态监测系统，其特征在于：所述集-射极电压/电流同步采样模块由集-射极电压同步采用电路及第二信号调理模块连接构成，所述集-射极电压/电流同步采样电路输入端与多电平功率变换器相连接相连接，所述第二信号调理模块输出端与系统控制器相连接。5.根据权利要求1所述的多电平功率变换器状态监测系统，其特征在于：所述底板温度采样模块由底板温度采样模块、温度变换模块及第三信号调理模块依次连接构成，所述底板温度采样电路输入端与多电平功率变换器相连接相连接，所述第三信号调理模块输出端与系统控制器相连接。6.根据权利要求1所述的多电平功率变换器状...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙强，吕海英，李谨，杜艳红，张伟玉，许环涛，陈姞君，马少华，
申请(专利权)人：天津农学院，
类型：发明
国别省市：天津,12