【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及绝缘栅双极型晶体管的热阻抗特性建模与参数辨识领域，具体涉及一种igbt模块热阻抗特性建模与参数辨识方法。
技术介绍
1、igbt模块功率损耗问题日益凸显，温度、湿度、振动等多种因素均会影响器件的高效、可靠工作。相关研究表明，近60％的器件失效是由温度引起的，由此可知温度对igbt模块的可靠性的影响巨大，因此，建立igbt的热阻抗模型，得到其热阻抗特性曲线，并根据曲线信息进行分析，研究热阻抗对器件特性的影响，将有助于提高器件的可靠性、延长其使用寿命，实现电力电子系统在寿命周期内安全可靠性运行。
2、热阻抗(thermal impedance)是指igbt模块内部某一点温度与其他点、外部散热器之间的温度差，它表示了热量在igbt模块内传输和散发的阻碍效果。热阻抗的单位为摄氏度每瓦特(℃/w)，数值越小，表示热传输越顺畅，热量散发越好。
3、热阻抗特性曲线描述了igbt在瞬态工作条件下的热阻抗变化情况。在igbt工作时，瞬态条件下的温度变化会影响其热阻抗。曲线通常以时间为横轴，以热阻抗为纵轴，显示了igbt在不同工作状态(如开关过程)下的热阻抗变化。如图1所示，在igbt工作初期，电流通过igbt时，热阻抗增大。这是因为当电流通过器件时，它本身会产生热量，而热阻抗则描述了这种热量在传导中的阻碍程度。当电流通过器件，热能从晶体管内部转移到外部散热器时，热阻抗会增加。这是因为初期晶体管内部温度较低，散热器相对冷却效果较差，导致热能不易传导，从而增加了热阻抗。
4、随着时间的推移和电流持续通
5、表征热特性的物理参数有两个：热阻r和热容c，热阻r是反映物体对热量传导的阻碍效果，而热容c则是衡量物质所包含热量的物理量。一般物质上都同时存在热阻和热容两个特性，并且由于热阻和热容特性的同时作用，又产生了瞬态热阻抗zthjc的特性。
6、基于上述的热阻抗特性与描述其特性的物理参数，目前有多种电热模型被提出，其中运用最多的两种为cauer网络模型和foster网络模型。
7、参考文献[1]：“樊鹏.igbt电力电子系统的电热建模及结温控制方法研究[d].湖南大学,2020.doi:10.27135/d.cnki.ghudu.2020.001262.”中的记载。
8、cauer电路结构中的参数获取比较困难。这是因为提取rc参数需要先得到功率模块各层精确的尺寸和材料参数，在实际测量中难以得到其精确值，因此较难实现相应的实验测试验证，如图2所示。
9、如图3所示，foster模型表示的是特定瞬态热阻抗的数值特性，没有任何物理意义，电路结点电压也不能表示各层材料的温度水平，因此不能反映出器件内部的温度分布。但是，由于提取rc热阻抗参数较容易，只需要模型拟合精度高即可,故foster模型的采用比cauer模型更加广泛。参考文献[2]：“王存乐.igbt模块热结构建模及其老化的研究[d].河北工业大学,2017.”中的记载。
10、可以看出，为了更好地描述igbt的热阻抗特性,采用foster模型并在推导和拟合后得到其热阻抗随时间变化的数学表达式会更加精确，但是在一些时候需要不需要准确地描述不同时间与温度区域的温度变化，因此采用多阶的foster得到的数学模模型来拟合参数进行描述会较为复杂。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于当不需要考虑不同时间与温度区域的温度变化的情况下，提供一种igbt模块器件热阻抗特性建模及简化的参数辨识方法，该方法将由foster模型所构造出的igbt模块结-壳电热模型推导得出的数学表达式进行化简，所得到的单指数函数表达式更为简洁，并且也具有较高的精确度；有助于进一步研究器件热阻抗特性与功率损耗的联系。
2、本专利技术采取的技术方案为：
3、一种igbt模块热阻抗特性建模与参数辨识方法，包括以下步骤：
4、步骤1：采用foster模型对igbt模块进行热阻抗建模，通过化简得到其热阻抗随时间变化的简化数学表达式：
5、zthjc＝beat+c；
6、其中：zthjc代表igbt的瞬态热阻抗；t表示时间；eat为指数函数，a、b、c为能够准确描述曲线的待辨识参数；
7、步骤2:基于多目标离线参数辨识方法对igbt模块参数进行辨识，包括以下步骤：
8、s2.1：根据某一型号igbt模块的数据手册，获得其热阻抗特性曲线，通过数据采集软件得到热阻抗特性曲线中的数据点：
9、zthjc＝{zthjc(ti)|i＝1,2,…，n} (5)
10、式(5)中，zthjc(ti)表示igbt模块器件手册中第i个时间点对应的热阻抗，共有n个时间点，ti表示第i个时间点。
11、s2.2：根据步骤1中的简化的数学表达式，得到热阻抗随时间的变化关系如下：
12、
13、式(6)中，z(ti)代表参数待优化的igbt的瞬态热阻抗；ti表示第i个时间点。
14、s2.3：利用s2.2中得到的热阻抗随时间的变化的表达式与s2.1中的数据手册通过数据采集软件采集得到的热阻抗特性曲线中对应n点数据的均方误差mse，构造参数辨识方法的目标函数：
15、
16、s2.4：针对s1.2中模型待估计的参数个数，选参数群体规模为50，寻优参数个数为3，迭代次数为1500，对目标函数式(7)进行拟合，得到使目标函数式(7)最小情况下的一组模型参数[a,b,c]。
17、所述步骤1包括以下步骤：
18、s1.1：根据图3，采用foster模型对igbt模块结-壳进行电热建模，对于一个n阶foster热网络模型，采用电热比拟理论将热网络模型转化为电网络模型，根据foster网络模型的连接特点，总的阻抗为并联的各阶电阻电容的和，其网络函数的公式为：
19、
20、其中，h(s)表示foster网络的阻抗函数；ri表示第i阶电阻的阻值；ci表示第i阶电容的电容值；τi为第i阶的时间常数，τi＝rici；s是一个复变量，表示拉普拉斯变换变量，n表示foster网络的阶数，即由多少个电阻和电容段构成的电热模型。
21、对上式进行拉普拉斯反变换，得到时域中网络函数公式：
22、
23、其中，h(t)表示foster网络系统对于输入信号在时域上的响应，即输出信号随时间的变化情况；是指数函数；t表示时间。
24、化简得到igbt模块的热阻抗特性数学表达式：
25、
26、其中，zthjc表示igbt的热阻本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种IGBT模块热阻抗特性建模与参数辨识方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种IGBT模块热阻抗特性建模与参数辨识方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种igbt模块热阻抗特性建模与参数辨识方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓长征，尚涵睿，陈曦，黄玉峰，王唯，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。