一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，通过计算IGBT功率模块的热损耗，并根据IGBT功率模块的实际热量传导路径，搭建等效热阻模型，得到等效热阻模型的IGBT理论结温，同时构建包含多热阻传导模型的功率单元系统，使用逼近模型导热系数法将多热阻传导模型的IGBT估计结温向等效热阻模型的IGBT理论结温逐步逼近，最终确定多热阻传导模型的导热系数，得到准确的多热阻传导模型IGBT估计结温。本发明专利技术多热阻传导模型估计结温与实际结温误差最大不超过1％。本发明专利技术技术先进、经济可行并且易于实现，对于提高IGBT器件的利用率和可靠性都有较好的效果，是一个有创新、有较高实用价值的估算方法。价值的估算方法。价值的估算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法


[0001]本专利技术属于电力电子可靠性评估
，尤其是一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法。

技术介绍

[0002]IGBT因具备较宽的工作电压范围和大电流的处理能力等优势，在能源发电、电动汽车等领域应用广泛，但IGBT结温易受工况变化及其所处散热环境影响，只有IGBT的结温低于IGBT晶体管允许的最高温度值，功率管才能正常工作。为此在进行IGBT功率管器件选型时通常会充分考虑器件的安全性，选取大冗余的IGBT来留出较大的温度余量。但选择IGBT功率越大，器件成本越高，造成了器件资源浪费，由此，准确估测出IGBT结温并保证器件在允许温度范围内工作，不仅有利于系统的稳定运行，在资源的合理配置方面具有重大意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，能够精确计算IGBT功率模块的结温，对于提高IGBT器件的利用率和可靠性都有较好的效果。
[0004]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0005]一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1、计算IGBT功率模块的热损耗；
[0007]步骤2、根据IGBT功率模块的实际热量传导路径，搭建等效热阻模型，根据传热学和力学理论计算出等效热阻模型热阻值，根据该热阻值和步骤1得到的IGBT功率模块热损耗计算出等效热阻模型的IGBT理论结温ΔT；
[0008]步骤3、根据需求参数搭建包括采用多热阻传导模型建立的IGBT功率模块、散热器模块和风机的功率单元系统，并对功率单元系统的边界条件进行设定；
[0009]步骤4、在额定工况下，IGBT功率模块的功率值P
V
不变，改变多热阻传导模型的导热系数得到不同的IGBT估计结温，将多热阻传导模型的IGBT估计结温与步骤2中得到的等效热阻模型的IGBT理论结温ΔT进行对比，通过逼近模型导热系数法，得到准确的多热阻传导模型的IGBT估计结温。
[0010]而且，所述步骤1计算IGBT功率模块的热损耗，包括以下四个部分：IGBT单元通态损耗P
sat
、FWD续流二极管单元通态损耗P
F
、IGBT单元的开关损耗P
sw
和FWD续流二极管单元的反向恢复损耗P
rr
。
[0011]而且，所述步骤2的具体计算方法为：
[0012][0013][0014]ΔT＝T
J
‑
T
Amb
＝P
V
·
(R
JC
+R
CH
+R
HA
)
[0015][0016]ΔT＝T
J
‑
T
Amb
＝(P
I
+P
D
)
·
(R
IJC
+R
DJC
+R
ICH
+R
DCH
+R
HA
)
[0017]其中，R为等效热阻模型热阻值，T2‑
T1为物体两端的温度差，P为发热源的功耗值，T
J
为IGBT模块的理论结温，T
Case
为IGBT功率模块基板外壳温度，P
V
为IGBT晶体管的功耗值，通过IGBT厂家给出的仿真软件求得热阻值，R
JC
为IGBT模块到外壳的热阻值，T
Heatsink
为散热器上表面的温度，R
CH
为IGBT模块外壳到散热器上表面的热阻值，T
Amb
为环境温度，R
HA
为散热器热阻值，P
I
为IGBT单元功耗值，P
D
为FWD单元功耗值，R
IJC
为IGBT单元到模块外壳的热阻值，R
DJC
为FWD单元结晶到模块外壳的热阻值，R
ICH
为IGBT单元外壳到散热器上表面的热阻值，R
DCH
为FWD单元外壳到散热器上表面的热阻值，R
HA
为散热器热阻值，L为热流始点与终点间距离，λ为散热器金属热导率，S为热流流通截面积。
[0018]而且，所述步骤3中IGBT功率模块采用cuboid建立智能元件，采用多热阻传导模型的方法建立。
[0019]而且，所述步骤3中多热阻传导模型包括3个节点和3个热阻，其中3个节点分别为IGBT晶元温度节点T
IGBT
和FWD晶元温度节点T
FWD
以及IGBT功率模块基板外壳温度节点T
Case
，3个热阻分别为IGBT热阻、FWD热阻和传导热阻。
[0020]而且，所述步骤4的具体实现方法为：将多热阻传导模型的IGBT估计结温与步骤2等效热阻模型的IGBT理论结温ΔT进行对比，改变多热阻传导模型的导热系数，通过逐步逼近计算使得多热阻传导模型的IGBT估计结温逐步逼近于等效热阻模型的IGBT理论结温ΔT，最终确定多热阻传导模型的导热系数，得到准确的多热阻传导模型的IGBT估计结温。
[0021]本专利技术的优点和积极效果是：
[0022]本专利技术涉及一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，通过计算IGBT功率模块的热损耗，并根据IGBT功率模块的实际热量传导路径，搭建等效热阻模型，得到等效热阻模型的IGBT理论结温，同时构建包含多热阻传导模型的功率单元系统，使用逼近模型导热系数法将多热阻传导模型的IGBT估计结温向等效热阻模型的IGBT理论结温逐步逼近，最终确定多热阻传导模型的导热系数，得到准确的多热阻传导模型IGBT估计结温。经实验验证，本专利技术多热阻传导模型估计结温与实际结温误差最大不超过1％。并且本专利技术的正确性和准确性可以得到保证。本专利技术的技术先进、经济可行并且易于实现，对于提高IGBT器件的利用率和可靠性都有较好的效果，是一个有创新、有较高实用价值的估算方法。
附图说明
[0023]图1为IGBT功率模块的总损耗图；
[0024]图2为本专利技术IGBT功率模块的等效热传导路径；
[0025]图3为本专利技术IGBT功率模块的热传导图；
[0026]图4为本专利技术建立的多热阻传导模型图。
具体实施方式
[0027]以下结合附图对本专利技术做进一步详述。
[0028]一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，包括以下步骤：
[0029]步骤1、计算IGBT功率模块的热损耗。如图1所示，IGBT功率模块的热损耗主要来自于IGBT功率管和FWD续流二极管。IGBT工作时，IGBT功率管按一定频率开通和关断，压降与电流相互作用产生热损耗。当器件在额定工况下运行时，通过IGBT厂家给出的仿真软件求得热阻值进行损耗计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、计算IGBT功率模块的热损耗；步骤2、根据IGBT功率模块的实际热量传导路径，搭建等效热阻模型，根据传热学和力学理论计算出等效热阻模型热阻值，根据该热阻值和步骤1得到的IGBT功率模块热损耗计算出等效热阻模型的IGBT理论结温ΔT；步骤3、根据需求参数搭建包括采用多热阻传导模型建立的IGBT功率模块、散热器模块和风机的功率单元系统，并对功率单元系统的边界条件进行设定；步骤4、在额定工况下，IGBT功率模块的功率值P
V
不变，改变多热阻传导模型的导热系数得到不同的IGBT估计结温，将多热阻传导模型的IGBT估计结温与步骤2中得到的等效热阻模型的IGBT理论结温ΔT进行对比，通过逼近模型导热系数法，得到准确的多热阻传导模型的IGBT估计结温。2.根据权利要求1所述的一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，其特征在于：所述步骤1计算IGBT功率模块的热损耗，包括以下四个部分：IGBT单元通态损耗P
sat
、FWD续流二极管单元通态损耗P
F
、IGBT单元的开关损耗P
sw
和FWD续流二极管单元的反向恢复损耗P
rr
。3.根据权利要求1所述的一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法，其特征在于：所述步骤2的具体计算方法为：计算方法为：ΔT＝T
J
‑
T
Amb
＝P
V
·
(R
JC
+R
CH
+R
HA
)ΔT＝T
J
‑
T
Amb
＝(P
I
+P
D
)
·
(R
IJC
+R
DJC
+R
ICH
+R
DCH
+R
HA
)其中，R为等效热阻模型热阻值，T2‑
T1为物体两端的温度差，P为发热源的功耗值，T
J

【专利技术属性】
技术研发人员：李哲，厉成元，刘娜，张超，
申请(专利权)人：天津电气科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：