基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，采用零极点展开法实现分数阶无源器件的构造，将有理近似函数表达为零极点对的形式；将有理近似函数设置N个零点和极点，使得二端口网络在一定带宽内实现与理想分数阶元件近似的阻抗以及频域特性，通过链式分抗逼近电路构造分数阶电容；将分数阶电容应用于热网络模型的建立中，通过拟合函数得到热网络模型中的热阻以及热容；根据热网络模型，监测功率器件的结温，得到功率耗散曲线的瞬态结温的表达式。本发明专利技术将分数阶电容应用于热模型网络的建立中，有效地提升了热网络模型的精度；将分数阶理论知识应用于结温监测模型的建立中，使得模型可以更加精准的得到结温参数。温参数。温参数。

【技术实现步骤摘要】
基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法


[0001]本专利技术涉及结温监测
，具体涉及一种基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法。

技术介绍

[0002]随着新能源的不断发展，对电源功率变换器性能的要求不断提高。为了进一步改进这些功率变换器，下一代宽带隙半导体器件正受到越来越多的关注。SiC功率器件作为宽带隙器件，具有高开关频率、高阻塞电压、低功率损耗等特性。随着这些器件研究和开发的不断进展，SiC器件可能会逐渐取代传统的Si器件，SiC很可能成为新一代开关器件的主要材料。目前市场上的SiC器件包括二极管、结场效应晶体管(jfet)、双极结晶体管(BJTs)和金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在这些器件中，二极管和mosfet是最受欢迎的，在新能源行业中有大量的应用。目前，SiC MOSFET在代替传统的Si模块用于功率转换器时面临着一些问题。首先是设备的可靠性问题。SiC材料的热特性优于Si材料，这使得SiC MOSFET适用于更高温度的工作环境。然而，传统封装用于Si模块的局限性以及SiC较高的热导率和杨氏模量将迫使SiC mosfet在运行期间承受更高的热应力。
[0003]如今，分数阶微积分的理论概念在不同的工程应用中得到了广泛的应用。作为一种新的工具，它扩展了传统微积分的描述能力，可以建立更加精准的数学模型，在各种应用中能够更准确地描述实际系统的特性。并且，分数阶模型的重要性在于它们能提供更准确的描述，并能对长期记忆行为背后的物理过程提供更深入的洞察。热网络模型法是监测SiC MOSFET结温最有用的方法之一。然而，传统的整数阶热网络模型法在描述时变的器件结温情况时，可能会存在模型精度不足的缺点。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，通过将分数阶微积分的理论应用于对热模型网络的建模中，使得模型可以更加准确的描述器件结温的情况。
[0005]本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：
[0006]一种基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，包括如下步骤：
[0007]采用零极点展开法实现分数阶无源器件的构造，根据零极点展开法的原理，将传递函数表达为零极点对的形式；
[0008]将传递函数设置N个零点和极点，通过设置零点和极点的个数，使得二端口网络在一定带宽内实现与理想分数阶元件近似的阻抗以及频域特性，通过链式分抗逼近电路构造分数阶电容，建立分数阶模型；
[0009]在热网络模型的建立中，SiC功率器件的温度、功率损耗、热容以及热阻分别对应SiC功率器件的电压、电流、电容以及电阻，通过拟合函数得到热网络模型中的热阻以及热容；
[0010]将分数阶模型应用到热网络模型中，得到基于分数阶建模的热网络模型，通过实时监测提前设置的SiC功率器件的功率损耗和结温，以得到热阻抗的分数阶模型；当阶跃响应触发时，得到功率耗散曲线的器件结温的表达式；将分数阶电容应用于热网络模型中，得到热网络模型的传递函数；
[0011]观测任一节点的温度，在给定基于分数阶建模的热网络模型参数的前提下，观测系统的状态，得到该基于分数阶建模的热网络模型的状态空间表达式，进而得到SiC功率器件的结温。
[0012]作为优选地，传递函数表达为零极点对的形式具体为：
[0013][0014]式中，Z(s)为传递函数，K 为分数阶元件的幅值，s为传递函数的输入值，z
i
为函数的零点，p
i
为函数的极点。
[0015]作为优选地，首个零点p0和首个极点z0的表达式分别为：
[0016][0017]其余零点p
i
和极点z
i
的表达式分别为：
[0018][0019]式中，p
T
为函数的角频率，y为幅频特性误差，β为阶次。
[0020]作为优选地，热网络模型的热阻R
i
和热容C
i
的表达式为：
[0021][0022][0023]式中，λ
th
是导热率，c是比热容，ρ是材料密度，A
i
和d
i
分别代表第i层的横截面积和厚度。
[0024]作为优选地，热阻抗的分数阶模型为：
[0025][0026]式中，P
loss
为功率损耗，Z
thjc
(t)为某一时刻t的瞬态热阻抗，T
j
为器件结温，α是分数阶阶数。
[0027]作为优选地，功率耗散曲线P(t)的器件结温T
j
表达式为：
[0028][0029]式中，T0为初始温度，Z
thjc
(t
‑
τ)为热阻抗对时间t的导数，τ是微积分的代数。
[0030]作为优选地，所述热网络模型为Foster热网络模型或Cauer热网络模型。
[0031]作为优选地，Foster热网络模型的传递函数：
[0032][0033]式中，Z
thjc
(s)为Foster网络的传递函数，τ
i
为热时间常数，s为函数的输入，R
j
为第j个电阻。
[0034]作为优选地，Cauer热网络模型为4阶Cauer热网络模型时，观测任一节点的温度，得到基于分数阶建模的热网络模型的状态空间表达式：
[0035][0036][0037][0038][0039]C1‑
C4为第1
‑
4个节点的电容, T1‑
T4为第1
‑
4个节点的温度, R1‑
R4为第1
‑
4个节点之间的电阻，P
C1
‑
P C4
为第1
‑
4个节点电容的热流,P为输入侧的热流,β为分数阶阶数。
[0040]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0041]本专利技术基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法相较于传统的方法，将分数阶电容应用于热模型网络的建立中，有效地提升了热网络模型的精度。此外，将分数阶理论知识应用于结温监测模型的建立中，使得模型可以更加精准的得到结温参数。
附图说明
[0042]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1是本专利技术基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法的流程图；
[0044]图2是本专利技术通过链式分抗逼近电路构造分数阶电容的示意图；
[0045]图3是本专利技术Foster热网络模型的示意图；
[0046本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，其特征在于，包括如下步骤：采用零极点展开法实现分数阶无源器件的构造，根据零极点展开法的原理，将传递函数表达为零极点对的形式；将传递函数设置N个零点和极点，通过设置零点和极点的个数，使得二端口网络在一定带宽内实现与理想分数阶元件近似的阻抗以及频域特性，通过链式分抗逼近电路构造分数阶电容，建立分数阶模型；在热网络模型的建立中，SiC功率器件的温度、功率损耗、热容以及热阻分别对应SiC功率器件的电压、电流、电容以及电阻，通过拟合函数得到热网络模型中的热阻以及热容；将分数阶模型应用到热网络模型中，得到基于分数阶建模的热网络模型，通过实时监测提前设置的SiC功率器件的功率损耗和结温，以得到热阻抗的分数阶模型；当阶跃响应触发时，得到功率耗散曲线的器件结温的表达式；将分数阶电容应用于热网络模型中，得到热网络模型的传递函数；观测任一节点的温度，在给定基于分数阶建模的热网络模型参数的前提下，观测系统的状态，得到该基于分数阶建模的热网络模型的状态空间表达式，进而得到SiC功率器件的结温。2.根据权利要求1所述的基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，其特征在于，传递函数表达为零极点对的形式具体为：式中，Z(s)为传递函数，K 为分数阶元件的幅值，s为传递函数的输入值，z
i
为函数的零点，p
i
为函数的极点。3.根据权利要求2所述的基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，其特征在于，首个零点p0和首个极点z0的表达式分别为：其余零点p
i
和极点z
i
的表达式分别为：式中，p
T
为函数的角频率，y为幅频特性误差，β为阶次。4.根据权利要求1所述的基于分数阶热网络模型的SiC功率器件结温监测方法，其特征在于，热网络模型的热阻R
i
和热容C
i
的表达式为：
式中，λ
th
是导热率，c是比...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，柯子鹏，胡波，彭子舜，戴瑜兴，丁渝洲，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：