[发明专利]一种基于复频域的IGBT结温估算快速迭代方法

说明书

本发明公开了一种基于复频域的IGBT结温估算快速迭代方法，具体为：获取热网络模型参数，根据电热比拟理论将热网络经过拉氏变换转移到复频域；进行戴维南等效变换得到复频域下的戴维南等效热网络，进一步化简得简化等效热网络模型；采样变流器的基波周期相电流，获得相电流的有效值，计算出IGBT的周期平均损耗，根据等面积定则获得IGBT的周期半正弦损耗，将周期半正弦损耗展开为傅里叶级数并进行拉氏变换，得到周期复频域损耗；将周期复频域损耗注入复频域简化等效热网络模型，获得复频域下的周期温度响应；对该温度响应进行逆拉氏变换，得到时域下的周期温度响应表达式；迭代直至任务结束。本发明的结温估算方法更为精细、更为快速。

技术领域

本发明属于电力电子器件的可靠性评估技术领域，具体涉及一种基于复频域的IGBT结温估算快速迭代方法。

背景技术

由绝缘栅双极型晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)组成的变流器在实现电气系统的电力电子化中扮演者重要的角色，但是由于变流器长期运行在恶劣的环境中，IGBT的可靠性受到极大挑战。IGBT结温是影响IGBT可靠性的关键因素。相关的工业统计表明：IGBT的故障占整个变流器系统故障的25％以上，除此之外，在影响IGBT的关键因素中，温度最为关键，因为组成IGBT模块材料的热膨胀系数相差较大，容易在易损坏部位产生剪切应力，导致键合线脱落以及焊料层出现空洞，最后模块因结温过高而发生失效。因此，在实际的IGBT工程应用场景中，IGBT的结温波动是被关注的重要参数，精确快速地估算IGBT的结温对于IGBT的可靠性分析具有重要意义。

近年来，一些IGBT结温估算方法被提出。K.Ma,A.S.Bahman,S.Beczkowski andF.Blaabjerg提出基于功率损耗与RC热网络阻抗乘积的时域积分来进行结温估算，该方法拥有较高的估算精度，但在长时间尺度的任务剖面会产生较大的计算负担。为了降低计算规模，实现实时结温估算，Y.Zhang，H.Wang，Z.Wang等人将IGBT损耗曲线利用矩形脉冲波离散进行等效，可以极大减轻计算负担，但在系统基波频率较低时结温估算误差较大。Z.Wangand W.Qiao提出将时域内的结温估算转移到频域，使复杂的积分运算变为相对简单的乘积运算，同时保留了时域内的计算精度。由于未分析热网络内部的初始状态，该方法在处理非零状态网络的热响应时，计算过程尚需优化。

除此之外，为了实现更为精细的结温估计，现有的计算方法多采用更小周期(一般低于变流器开关周期)进行迭代，不仅增加计算负担，同时在系统迭代过程中出现非零状态，现有的文献中对此未进行考虑，其容易产生误差累计效应，因此现有结温计算方法在计算精度和计算负担上需要有待优化。

发明内容

为了实现更为精细、更为快速的结温估计，本发明提供一种基于复频域的IGBT结温估算快速迭代方法。

本发明的一种基于复频域的IGBT结温估算快速迭代方法，包括以下步骤：

步骤1：从IGBT的数据手册上获取Foster-RC热网络模型参数；根据电热比拟理论，将Foster热网络经过拉普拉斯变换，转移到复频域。

步骤2：对步骤1获得的复频域下的Foster热网络进行戴维南等效变换，得到复频域下的戴维南等效热网络，进一步化简得复频域下的简化等效热网络模型。

步骤3：采样变流器的基波周期相电流，获得相电流的有效值，计算出IGBT的周期平均损耗，根据等面积定则，获得IGBT的周期半正弦损耗，将周期半正弦损耗展开为傅里叶级数并进行拉普拉斯变换，得到周期复频域损耗。

步骤4：将步骤3获得的周期复频域损耗注入步骤2获得的复频域简化等效热网络模型，获得复频域下的周期温度响应；对该温度响应进行逆拉普拉斯变换，得到时域下的周期温度响应表达式。

步骤5：重复步骤3-步骤4，直至迭代结束。