[发明专利]一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法

说明书

本发明公开了一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，具体为：采集计算功率损耗所需的变流器级变量，对交流侧输出电流进行傅里叶分解，获取流经所分析IGBT电流表达式；分别计算交流侧电流峰值所对应的开关损耗和导通损耗，进而得到分析的IGBT在整个基波周期的功率损耗；结合Foster热网络模型，推导出基波周期内的结温波动表达式，对结温波动表达式进行求导，得到最大、最小结温发生时间点；根据获取的时间点计算出最大和最小结温值，电流峰值对应时刻结温值以及基波周期末的结温波动的分量值。本发明可以实现IGBT结温波动的快速计算，并且计算结果精确、全面、可靠。

技术领域

本发明属于电力电子变流器的可靠性分析及状态监测领域，尤其涉及一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法。

背景技术

在过去的几十年中，虽然各工业领域一直致力于寻求更高的效率和更低的成本的电力电子变流器，但可靠性问题不断涌现并变得越来越重要，因为电力电子变流器大量计划外维护成为降低能源成本的主要障碍之一。同时，为了提高电力电子变流器的竞争力，如何在满足可靠性目标的同时降低设计裕度成为面临的挑战之一。IGBT(insulated gatebipolar transistor)作为电力电子变流器的核心部件，被誉为电力电子变流器的‘CPU’，其可靠性的程度对于电力电子变流器的可靠性至关重要。而IGBT的可靠性与结温波动密切相关，有研究表明：结温波动每提高10℃，IGBT的寿命将降低一半。因此，IGBT的结温波动计算对于电力电子变流器的可靠性评估及变流器运行状态监测至关重要。

近年来，提出了一些IGBT的结温波动计算方法。张毅，王怀等人提出了一种适用于模块化多电平逆变器周期性功率损耗下的热建模简化方法，即利用半正弦损耗曲线对IGBT的不规则损耗任务面进行转换并进行离散化等效，实现了IGBT的结温波动较为精确的计算。J.J.Nelson,G.Venkataramanan等人将功率损耗函数和热网络模型均转换到频域内，然后基于频域分析计算出IGBT结温。M.Ouhab,Z.Khatir等人在电机牵引的IGBT功率损耗计算中考虑了调制策略、功率因数等因素，提高了结温计算的精度。王希平，李志刚等人利用矩形脉冲损耗对原始损耗进行等效，然后结合热网络进行结温迭代计算，实现了结温较为快速的计算。

目前提出的IGBT结温波动计算方法中，对于功率损耗的计算多采用半正弦曲线进行等效，导致损耗计算的不精确，并进一步进给结温计算引入误差；除此之外，目前的可靠性分析的寿命模型主要关注的结温波动，仅需要计算出最大、最小结温值，因此，其他时间点的结温估计导致了迭代计算中大量的计算冗余，严重增加了结温的计算时间和计算量。

发明内容

为了解决以上问题，本发明公开了一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法。

本发明的一种用于电力电子变流器IGBT结温波动的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：采集计算功率损耗所需的变流器级变量，对交流侧输出相电流进行傅里叶分解，获取流经IGBT的电流表达式，具体为：

对于相电流，进行傅里叶分解可表示为：

式中：c₀为直流分量值，c_k，d_k分别为正弦分量和余弦分量的峰值，k为谐波次数，w为基波角频率，且w＝2πf₀，f₀为基波频率。

在逆变器中，通过控制IGBT的导通次数和导通时间来达到控制的效果，因此，IGBT中的电流是不连续的。但是，单相桥臂上IGBT和互补反并联二极管中的电流之和等于正(上IGBT和下二极管)或负(下IGBT和上二极管)相电流，在IGBT和反并联二极管中流动的相电流可以等效为半波整流正弦波，对于表示(1)中各谐波分量的幅值满足以下关系：