技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電力電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種igbt模塊的結(jié)溫預(yù)測(cè)方法，用于在模塊化多電平電路直流雙極短路情況下igbt的結(jié)溫計(jì)算。
背景技術(shù)：
：：模塊化多電平因?yàn)槠淇赏卣剐詮?qiáng)，輸出電平數(shù)高、諧波含量低，非常適用于高壓大電流的場(chǎng)合，在柔性直流輸電中有廣泛的應(yīng)用。igbt(絕緣柵雙極型晶體管)作為電路子模塊中的最重要的元件，其正常工作與否極大地影響著電路的運(yùn)行的可靠性。igbt模塊失效在很大程度上是在熱循環(huán)的影響下過熱失效，與其結(jié)溫有著直接的關(guān)系。因此，在系統(tǒng)未運(yùn)行前模擬其運(yùn)行條件預(yù)測(cè)igbt結(jié)溫是非常必要的。模塊化多電平電路的短路故障是具有嚴(yán)重后果的故障，而其中直流雙極短路是最嚴(yán)重的短路情況。研究直流雙極短路情況下igbt結(jié)溫的變化曲線，可以得出不同運(yùn)行條件下igbt的熱失效時(shí)刻及故障耐受時(shí)間，對(duì)主電路設(shè)計(jì)、保護(hù)設(shè)計(jì)以及散熱回路設(shè)計(jì)都有著重大的意義。目前的結(jié)溫計(jì)算方法大多是pwm變流器中igbt的結(jié)溫計(jì)算方法，由于模塊化多電平電路的調(diào)制方式不同，其子模塊的投切行為較復(fù)雜，開關(guān)頻率較低，故不能將其直接應(yīng)用于模塊化多電平電路中。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本發(fā)明目的是為了提供一種igbt模塊的結(jié)溫預(yù)測(cè)方法，用于針對(duì)模塊化多電平電路，通過計(jì)算預(yù)測(cè)出其不同運(yùn)行條件下發(fā)生直流雙極短路時(shí)的結(jié)溫變化曲線。為主電路設(shè)計(jì)、保護(hù)設(shè)計(jì)以及散熱回路設(shè)計(jì)提供參考，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種igbt模塊的結(jié)溫預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：1)根據(jù)模塊化多電平電路參數(shù)和短路前運(yùn)行情況計(jì)算出直流雙極短路時(shí)流過igbt電流的表達(dá)式；2)根據(jù)igbt數(shù)據(jù)手冊(cè)擬合出導(dǎo)通損耗、開關(guān)能量與流過igbt電流的關(guān)系式；3)根據(jù)igbt的等效開關(guān)頻率和等效占空比判斷igbt所處的開關(guān)狀態(tài)；4)根據(jù)igbt所處的開關(guān)狀態(tài)，直流雙極短路時(shí)流過igbt電流的表達(dá)式，以及導(dǎo)通損耗、開關(guān)能量與流過igbt電流的關(guān)系式計(jì)算出igbt的損耗值p；5)根據(jù)igbt的損耗值p和igbt模塊的4階foter傳熱模型得出預(yù)測(cè)的時(shí)間段內(nèi)igbt結(jié)溫隨時(shí)間變化趨勢(shì)的離散曲線。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中，直流雙極短路時(shí)流過igbt的電流表達(dá)式如下：其中其中，udc為直流側(cè)電壓值、n為半個(gè)橋臂子模塊個(gè)數(shù)、c0為子模塊電容容值、la為橋臂閥電抗器電感值、rst為橋臂等效電阻值、ll為直流母線等值電感值、rl為直流母線等值電阻值、il為故障時(shí)刻電感電流值。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)中，導(dǎo)通損耗以及開關(guān)能量與流過igbt電流ic的關(guān)系式如下：開通能量eon：eon＝9.607×10-7ic2+0.002145ic+0.7643關(guān)斷能量eoff：eoff＝0.005189ic+0.1464導(dǎo)通損耗ptcon：vce＝aic2+bic+c結(jié)溫tj為25攝氏度下a＝-5.922×10-8b＝0.0009071c＝0.7492結(jié)溫tj為125攝氏度下a＝-8.8×10-8b＝0.001252c＝0.8091所以，系數(shù)a、b、c隨結(jié)溫tj變化關(guān)系為導(dǎo)通損耗ptcon＝vceic＝(aic2+bic+c)ic其中vce為igbt導(dǎo)通壓降。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟4)中計(jì)算igbt的損耗值p具體方法如下：其中，tc為結(jié)溫計(jì)算周期。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟5)中，igbt結(jié)溫計(jì)算方法具體如下：τi＝rici其中，tc是計(jì)算周期，ti是第i階熱模型的溫度差，tfi是第i階熱模型上一計(jì)算周期的溫度差，ri是第i階熱模型的熱阻值，ci是第i階熱模型的熱容值，tj是結(jié)溫，ta是環(huán)境溫度，i為正整數(shù)。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提供的一種igbt模塊的結(jié)溫預(yù)測(cè)方法，用于計(jì)算模塊化多電平電路直流雙極短路時(shí)igbt結(jié)溫的變化，計(jì)算基于直流雙極短路的情況，現(xiàn)有發(fā)明鮮有涉及電路短路時(shí)igbt結(jié)溫的瞬態(tài)變化情況；本發(fā)明采用igbt數(shù)據(jù)手冊(cè)來擬合損耗與電流的關(guān)系，損耗計(jì)算基于實(shí)踐得出的結(jié)論，從而做到精準(zhǔn)和貼近實(shí)際應(yīng)用；本發(fā)明根據(jù)igbt的等效開關(guān)頻率和等效占空比判斷igbt所處的開關(guān)狀態(tài)，可以近似的模擬出模塊化多電平電路中igbt的開關(guān)狀態(tài)，并以此作為計(jì)算igbt損耗的依據(jù)，從而比其他方法計(jì)算更精確細(xì)致；本發(fā)明利用傳熱學(xué)原理對(duì)igbt模塊建立4階foster傳熱模型，該傳熱模型中既有熱阻又有熱容，能夠充分地模擬出igbt模塊的傳熱特性，進(jìn)而對(duì)模型求解可以模擬模塊化多電平電路短路時(shí)igbt芯片的結(jié)溫瞬態(tài)變化趨勢(shì)，精度較高且無需實(shí)物、節(jié)省資源；本發(fā)明采用的方法屬于預(yù)測(cè)性質(zhì)的事前模擬，可在電路短路未發(fā)生時(shí)獲得與實(shí)際相近的結(jié)果，且通過改變電路參數(shù)、改變igbt傳熱模型的參數(shù)分別可以模擬不同散熱條件情況下、不同電路運(yùn)行狀態(tài)下結(jié)溫變化曲線，從而能為系統(tǒng)的散熱等參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；本發(fā)明采用matlab編程實(shí)現(xiàn)，算法簡(jiǎn)潔實(shí)用，節(jié)省軟件資源。進(jìn)一步，本發(fā)明考慮了結(jié)溫對(duì)導(dǎo)通損耗的影響，從而減小了電熱耦合帶來的誤差。進(jìn)一步，本發(fā)明采用的損耗計(jì)算方法為分段法，由于igbt開關(guān)狀態(tài)的不同時(shí)損耗的性質(zhì)及表達(dá)式不一樣，本發(fā)明根據(jù)開關(guān)狀態(tài)分別計(jì)算其損耗，從而比普通計(jì)算方法更加精細(xì)。進(jìn)一步，針對(duì)了模塊化多電平電路開關(guān)頻率低的問題，本發(fā)明所采用的結(jié)溫計(jì)算方法中，計(jì)算周期小于igbt的開關(guān)周期，從而能夠模擬出igbt單個(gè)開關(guān)周期中間的結(jié)溫變化，相比其他計(jì)算方法將整個(gè)開關(guān)周期作為計(jì)算周期并將開關(guān)損耗平均到開關(guān)周期中的做法，本發(fā)明采用的方法計(jì)算更加精細(xì)，減小了等效帶來的誤差。附圖說明：圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程示意圖。圖2為模塊化多電平電路主電路示意圖。圖3為圖1實(shí)施例的結(jié)溫計(jì)算的具體過程原理示意圖。圖4為igbt模塊foster傳熱模型示意圖。圖5為igbt短路電流及結(jié)溫仿真結(jié)果圖。具體實(shí)施方式：以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明不限于所給出的例子。如圖1所示，本發(fā)明提供的一種igbt模塊的結(jié)溫預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：第一步：在計(jì)算之前要確定計(jì)算所需的參數(shù)值，在本發(fā)明中，這些參數(shù)包括：主電路的參數(shù)，如圖2所示，包括直流側(cè)電壓值udc、半個(gè)橋臂子模塊個(gè)數(shù)n、子模塊電容容值c0、橋臂閥電抗器電感l(wèi)a、橋臂等效電阻rst、直流母線等值電感l(wèi)l和等值電阻rl。其中橋臂等效電阻包括電抗器直流電阻、電容串聯(lián)等效電阻、線路及器件等效電阻等。故障時(shí)刻電感電流值il。系統(tǒng)短路前穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下igbt的結(jié)溫。該值為結(jié)溫計(jì)算的初值即t0時(shí)刻的結(jié)溫。短路前的結(jié)溫在實(shí)際運(yùn)行時(shí)是波動(dòng)的，但其波動(dòng)范圍不大對(duì)結(jié)溫計(jì)算的影響不大，故在本發(fā)明中初值取穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的平均值。仿真步長(zhǎng)ts、結(jié)溫計(jì)算周期tc。計(jì)算短路電流的時(shí)間間隔與仿真步長(zhǎng)一致，計(jì)算結(jié)溫時(shí)間間隔與結(jié)溫計(jì)算周期一致。定義變量n_cal，其含義為每隔n_cal個(gè)仿真周期計(jì)算一次結(jié)溫。開關(guān)頻率f、占空比d。模塊化多電平電路器件開關(guān)狀態(tài)由多種因素決定，是較為隨機(jī)的非線性過程，故本發(fā)明在獲取開關(guān)頻率和占空比之后采用固定周期和占空比作為開關(guān)狀態(tài)。相關(guān)參數(shù)還有一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)結(jié)溫計(jì)算周期的個(gè)數(shù)n_switch、一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通的結(jié)溫計(jì)算周期個(gè)數(shù)n_on＝n_switch*d。所用igbt的5階foster模型熱容熱阻參數(shù)。本實(shí)施例采用5階模型，但本發(fā)明所采用模型不局限于5階，應(yīng)據(jù)情況而定。igbt25攝氏度及125攝氏度下的通態(tài)特性曲線，以及開關(guān)能量特性曲線。第二步：計(jì)算直流雙極短路下的短路電流。本發(fā)明采用短路電流計(jì)算公式為：其中其中，udc為直流側(cè)電壓值、n為半個(gè)橋臂子模塊個(gè)數(shù)、c0為子模塊電容容值、la為橋臂閥電抗器電感值、rst為橋臂等效電阻值、ll為直流母線等值電感值、rl為直流母線等值電阻值、il為故障時(shí)刻電感電流值。本實(shí)施例中所用參數(shù)取值如表1所示：表1主電路各項(xiàng)參數(shù)取值udc/v100000n/個(gè)100c0/f0.01la/h0.01rst/ω0.01ll/h0.015rl/ω0.005il/a1000第三步：根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中的特性曲線擬合損耗系數(shù)。本實(shí)施例中對(duì)通態(tài)飽和壓降vce和流過igbt的電流ic的關(guān)系采用二次擬合；igbt的開通能量eon采用二次擬合，igbt的關(guān)斷能量eoff采用一次擬合。表達(dá)式為：25攝氏度下vce＝-5.922×10-8ic2+0.0009071ic+0.7492125攝氏度下vce＝-8.8×10-8ic2+0.001252ic+0.8091eon＝9.607×10-7ic2+0.002145ic+0.7643，eoff＝0.005189ic+0.1464第四步：判斷當(dāng)前計(jì)算周期內(nèi)igbt開關(guān)狀態(tài)并根據(jù)相應(yīng)狀態(tài)計(jì)算損耗。本發(fā)明中認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有n_switch個(gè)結(jié)溫計(jì)算周期，其中：(1)第1個(gè)計(jì)算周期開關(guān)管開通，損耗為開通損耗pon，pon＝eon/tc。(2)第2到第n_on-1個(gè)計(jì)算周期開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，損耗為導(dǎo)通損耗ptcon，ptcon＝vceic。vce通過擬合根據(jù)ic值得到。本發(fā)明考慮結(jié)溫對(duì)飽和壓降vce的影響，將擬合系數(shù)通上一時(shí)刻結(jié)溫值修正，公式為：導(dǎo)通損耗ptcon＝vceic＝(aic2+bic+c)ic結(jié)溫tj為25攝氏度下a＝-5.922×10-8b＝0.0009071c＝0.7492結(jié)溫tj為125攝氏度下a＝-8.8×10-8b＝0.001252c＝0.8091所以，系數(shù)a、b、c隨結(jié)溫tj變化關(guān)系為將每個(gè)仿真步長(zhǎng)的損耗瞬時(shí)值ptcon＝vceic。將每個(gè)仿真時(shí)間點(diǎn)的損耗取平均值作為該計(jì)算周期的平均損耗。(3)第n_on個(gè)計(jì)算周期開關(guān)管關(guān)斷，損耗為關(guān)斷損耗poff，poff＝eoff/tc。(4)開關(guān)周期內(nèi)余下計(jì)算周期開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，認(rèn)為損耗為零。損耗計(jì)算中的計(jì)算周期等值的選取下所示：計(jì)算周期10μs、等效開關(guān)周期1ms、等效占空比0.1。第四步：根據(jù)損耗和傳熱模型計(jì)算結(jié)溫。如圖3所示，本發(fā)明采用的結(jié)溫計(jì)算過程是離散的，計(jì)算公式為：τi＝rici。如圖4所示，p是當(dāng)前計(jì)算周期損耗，tc是計(jì)算周期，ti是第i階熱模型的溫度差，tfi是第i階熱模型上一計(jì)算周期的溫度差，ri是第i階熱模型的熱阻值，ci是第i階熱模型的熱容值，tj是結(jié)溫，ta是環(huán)境溫度。本實(shí)施例中foster模型各階參數(shù)取值如表2所示：表2foster模型各階參數(shù)取值r1/(℃/w)1.2c1/(j/kg·k)5.2944r2/(℃/w)1.49c2/(j/kg·k)37.29r3/(℃/w)0.269c3/(j/kg·k)45.59r4/(℃/w)0.246c4/(j/kg·k)1.254由此便可以的出igbt結(jié)溫的變化曲線，結(jié)果如圖5所示。本實(shí)施例可以靈活選取仿真步長(zhǎng)、結(jié)溫計(jì)算周期等參數(shù)；用igbt數(shù)據(jù)手冊(cè)來擬合損耗與電流的關(guān)系，損耗計(jì)算更精準(zhǔn)，更貼近實(shí)際應(yīng)用；考慮了結(jié)溫對(duì)導(dǎo)通損耗的影響，避免了電熱耦合帶來的誤差。當(dāng)前第1頁12