[发明专利]功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统及方法

权利要求书

1.一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，包括：系统实时仿真模块、器件损耗计算模块以及器件热阻抗模块；其中：

所述系统实时仿真模块，用于模拟功率半导体器件及其所在电力电子系统的电磁行为，并向所述器件损耗计算模块提供功率半导体器件的实时电磁应力信号；

所述器件损耗计算模块，用于计算功率半导体器件上的损耗，接收所述电力电子系统实时仿真模块的实时电磁信号，并根据电磁信号向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号；

所述器件热阻抗模块，用于模拟功率半导体器件热行为，接收所述器件损耗计算模块的实时损耗信号，并根据实时损耗信号生成器件实时温度信号；

所述器件损耗计算模块输出的实时损耗信号包括：功率半导体器件开关损耗、导通损耗和总损耗；所述器件热阻抗模块生成的实时温度信号包括：功率半导体器件不同位置处的结温、芯片温度、外壳温度、散热器温度、散热触媒温度以及环境温度；

所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，还包括如下模块：

-系统控制器模块，接收所述系统实时仿真模块反馈的实时电磁信号，并向所述系统实时仿真模块提供控制信号，控制所述系统实时仿真模块中电力电子电路及功率半导体器件的电磁行为；

-温度信号反馈接口模块，将所述器件热阻抗模块输出的功率半导体器件实时温度信号，反馈给所述器件损耗计算模块、所述器件热阻抗模块和/或所述实时仿真模块，修正电磁、损耗及温度计算结果；

所述器件热阻抗模块采用带低通滤波器的频域热阻抗模型，是一种将Foster/Cauer热阻抗网络等效为低通滤波器串联在热路中的模型，具体包括：热阻抗单元a、受控温度源b、受控热功率源c和热功率滤波器d，功率半导体器件的功率损耗作为输入，功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度作为输出，其中：受控热功率源c，用于输入的功率损耗进行耦合；受控温度源b，用于对C点的温度信号进行耦合；热阻抗单元a，用于表征其输入的功率损耗和其两端口温度差之间的关系；热功率滤波器d，用于对受控热功率源c输出的热功率信号进行滤波处理；所述热阻抗单元a的输入量与热功率滤波器d的输入量皆由功率半导体器件的功率损耗提供，但热阻抗单元a和热功率滤波器d不是并联关系，两者的输入侧通过受控热功率源相耦合。

2.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，根据电磁信号向所述器件热阻抗模块输出实时损耗信号的方法，采用以下任意一种：

-基于器件物理结构的损耗计算方法；

-基于器件数学模型的损耗计算方法；

-基于器件数据手册的损耗估算方法；

和/或，

根据实时损耗信号生成器件实时温度信号的方法为：

-基于已有的热阻抗模型计算器件实时温度。

3.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，所述器件损耗计算模块，根据器件上的电磁信号，输出的实时损耗信号包括如下任意一项或任意多项：

-损耗发生时刻的瞬时损耗功率；

-开关周期平均值；

-工频周期平均值；

-变周期平均值。

4.根据权利要求1所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，所述器件损耗计算模块和所述器件热阻抗模块采用如下任意一种连接结构：

-所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，集成于所述系统实时仿真模块中；

-所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，独立于所述系统实时仿真模块。

5.根据权利要求4所述的功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真系统，其特征在于，当所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块独立于所述系统实时仿真模块时，所述器件损耗计算模块和/或所述器件热阻抗模块，采用以下任意一种或任意多种组合的形式：

-等效模拟电路和/或数字电路；

-计算机以及包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；

-包含信号采样调理电路的DSP、FPGA或CPLD以及内部运算程序；

-与实时仿真模块同型号或不同型号的实时仿真器件。

6.一种功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真方法，其特征在于，包括：

模拟功率半导体器件及其所在电力电子系统的电磁行为，得到所关注功率半导体器件上的实时电磁应力信号；

根据得到的所述实时电磁应力信号，计算功率半导体器件上的损耗，生成实时损耗信号；所述实时损耗信号包括：功率半导体器件开关损耗、导通损耗和总损耗；

模拟功率半导体器件的热行为，并根据所述实时损耗信号生成器件实时温度信号；所述实时温度信号包括：功率半导体器件不同位置处的结温、芯片温度、外壳温度、散热器温度、散热触媒温度以及环境温度；

所述功率半导体器件损耗及温度实时在线仿真方法还包括：

-根据所述实时电磁信号生成控制信号，用于控制模拟功率半导体器件的电磁行为；

-根据所述实时温度信号反馈回实时仿真模型、损耗计算模型和/或热阻抗模型，用于修正损耗和温度计算结果；

采用器件热阻抗模块模拟功率半导体器件热行为，接收所述器件损耗计算模块的实时损耗信号，并根据实时损耗信号生成器件实时温度信号；

所述器件热阻抗模块采用带低通滤波器的频域热阻抗模型，是一种将Foster/Cauer热阻抗网络等效为低通滤波器串联在热路中的模型，具体包括：热阻抗单元a、受控温度源b、受控热功率源c和热功率滤波器d，功率半导体器件的功率损耗作为输入，功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度作为输出，其中：受控热功率源c，用于输入的功率损耗进行耦合；受控温度源b，用于对C点的温度信号进行耦合；热阻抗单元a，用于表征其输入的功率损耗和其两端口温度差之间的关系；热功率滤波器d，用于对受控热功率源c输出的热功率信号进行滤波处理；所述热阻抗单元a的输入量与热功率滤波器d的输入量皆由功率半导体器件的功率损耗提供，但热阻抗单元a和热功率滤波器d不是并联关系，两者的输入侧通过受控热功率源相耦合。