基于全阶状态观测器的IGBT模块结温预测
发布时间：2022-01-07 13:11
随着时代与科技的快速发展,全球范围的能源短缺以及环境污染日趋严重,电动车辆正在逐渐取代传统车辆。功率器件作为电机控制器的组成部件是电力传动系统的重要环节之一,研究表明将近三分之一的半导体功率器件的故障都是由于IGBT等开关器件的失效引起,而超过半数的失效都是由于温度引起的。本文从IGBT的电学和传热学方面出发,考虑电、热参数的相互影响,设计结温状态观测器对IGBT结温进行实时预测。电学部分,基于双脉冲测试原理搭建IGBT动态特性离线测试平台,对不同工作状态下的IGBT开关特性进行测试,研究导通电流、母线电压、结温对IGBT损耗的影响,基于平台测试数据,采用线性插值法详细分析推导了IGBT开关损耗和导通损耗的数学模型。对于传热学部分,本文通过对IGBT热传递过程的分析,确定主要的传热路径。搭建IGBT瞬态热阻测试平台进行热阻测试,根据IGBT饱和压降在恒定小电流导通情况下与器件结温呈线性相关的性质,通过测量饱和压降得到温度与瞬态热阻变化曲线。基于瞬态热阻曲线提取热阻、热容参数,搭建热网络模型。基于IGBT热网络模型推导各温度节点的状态方程,针对基于状态方程对结温的开环估计无法进行反馈调节...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT驱动板信号放大电路
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-41-4.3.1仿真模型的建立基于状态观测器的IGBT结温估计模型分为三个部分：电学模型、热学模型以及观测器模型，实现结温估计原理框架如图4-4所示。IGBT损耗模型IGBT热网络模型状态观测器IGBT工作状态PdissTNTCTambVCEICTjPdiss图4-4IGBT结温预测原理框图其中，电学模型部分为第二章中的IGBT损耗模型，实时计算IGBT的当前工况下功率损耗，模型输入包括：集电极电流、母线电压、结温等工作参数。热学模型则是根据热-电比拟理论将热阻网络的温度、热流、热阻与热容分别与电路中电压、电流、电阻以及电容进行等效，整理好热网络之后采用电路的基尔霍夫定律的方法求解热网络内的温差和热流。常规的电热耦合模型就只有电学与热学两部分模型，仅可以实现对IGBT结温的开环估计，但是在实际运行中，受模型精度以及各种随机干扰等的影响，结温估计精度将受到影响。因此，本文采用状态观测器实现开环温度的闭环估计，利用观测器估算的壳温和实际的NTC热敏电阻测量壳温间的误差对结温估计值进行实时修正，从而很好的预测IGBT的实时结温。图4-5IGBT功率损耗仿真模型
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-42-图4-5为IGBT的电学损耗模型，根据第二章所搭建的导通与开关损耗数学公式进行建模。主要影响IGBT损耗的因素有：母线电压、导通电流、结温、开关频率以及PWM波的占空比，通过实时采集IGBT的工作参数计算当前功率损耗。图4-6IGBT热网络仿真模型图4-6为IGBT的Cauer热网络模型，根据第三章论述的方法获取热网络参数进行仿真建模，将功率损耗当做热网络的电流源输入，环境温度当做电压源输入。下图4-7为基于全阶状态观测器的IGBT模块结温预测仿真模型，模型包括有简单的IGBT工作电路、损耗模型、等效热网络模型以及结温状态观测器，基于真实的壳温与观测器估计的壳温之间的误差进行输出反馈调节，从而实现对结温估计值进行实时修正。图4-7基于全阶状态观测器的IGBT模块结温预测仿真模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]功率IGBT模块热网络参数提取研究综述[J]. 王存乐,李志刚,李雄,孔梅娟. 电工电气. 2017(10)
[2]EV/HEV用IGBT将增长3倍,IGBT仿真与测试引关注[J]. 迎九. 电子产品世界. 2016(06)
[3]IGBT损耗和结温计算研究[J]. 杨洪波,王征宇,黄宜山. 大功率变流技术. 2016(01)
[4]IGBT模块开关损耗计算方法综述[J]. 李志刚,梅霜,王少杰,姚芳. 电子技术应用. 2016(01)
[5]一种电动汽车逆变器IGBT功率损耗和结温的近似计算方法[J]. 焦明亮,李云,吴春冬,朱世武,余军. 大功率变流技术. 2015(05)
[6]高压大容量IGBT测试技术探究[J]. 石蕊,袁咏歆. 科技创新与应用. 2015(25)
[7]电动汽车电机控制器IGBT模块功耗和温度计算[J]. 彭金城,潘春良,何葵,储祖江. 电力电子技术. 2014(03)
[8]IGBT动态参数测试方法分析[J]. 郑大勇,陈广聪. 电子产品可靠性与环境试验. 2013(S1)
[9]IGBT静态参数测试方法研究[J]. 李更生,杨莉,徐庆坤,张永健. 电力电子技术. 2012(12)
[10]电压源换流器开关器件损耗建模[J]. 吴锐,温家良,于坤山,陈中圆,韩健,蔚泉清. 中国电机工程学报. 2012(21)
博士论文
[1]电力电子器件及其装置的散热结构优化研究[D]. 张健.哈尔滨工业大学 2015
[2]中高压功率IGBT模块开关特性测试及建模[D]. 陈娜.浙江大学 2012
[3]基于IGCT的多电平变换器若干关键问题研究[D]. 袁立强.清华大学 2004
硕士论文
[1]压接型IGBT开关特性测试平台的设计及寄生电感提取[D]. 袁文迁.北京交通大学 2018
[2]高温环境下IGBT建模与结温预测方法研究[D]. 侯月.哈尔滨工业大学 2017
[3]IGBT的新型实时结温监测方法及其在电动汽车中的应用[D]. 李豪.重庆大学 2017
[4]基于组合式动态热敏电参数的功率IGBT模块结温提取研究与应用[D]. 王祥.浙江大学 2017
[5]电动汽车变流器的器件损耗与结温研究[D]. 汪绪彬.华南理工大学 2017
[6]基于端口电特性的IGBT模块可靠性研究[D]. 彭英舟.重庆大学 2017
[7]基于结构函数的IGBT芯片焊接质量分析与研究[D]. 许炜.华南理工大学 2016
[8]高压IGBT模块动态特性测试与建模[D]. 邹凯凯.华北电力大学 2015
[9]计及寄生参数的高频功率变换器能效分析与研究[D]. 陈爽.华南理工大学 2014
[10]IGBT热阻热谱和热瞬态过程的研究[D]. 丁现朋.山东大学 2014
本文编号：3574608
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
IGBT驱动板信号放大电路
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-41-4.3.1仿真模型的建立基于状态观测器的IGBT结温估计模型分为三个部分：电学模型、热学模型以及观测器模型，实现结温估计原理框架如图4-4所示。IGBT损耗模型IGBT热网络模型状态观测器IGBT工作状态PdissTNTCTambVCEICTjPdiss图4-4IGBT结温预测原理框图其中，电学模型部分为第二章中的IGBT损耗模型，实时计算IGBT的当前工况下功率损耗，模型输入包括：集电极电流、母线电压、结温等工作参数。热学模型则是根据热-电比拟理论将热阻网络的温度、热流、热阻与热容分别与电路中电压、电流、电阻以及电容进行等效，整理好热网络之后采用电路的基尔霍夫定律的方法求解热网络内的温差和热流。常规的电热耦合模型就只有电学与热学两部分模型，仅可以实现对IGBT结温的开环估计，但是在实际运行中，受模型精度以及各种随机干扰等的影响，结温估计精度将受到影响。因此，本文采用状态观测器实现开环温度的闭环估计，利用观测器估算的壳温和实际的NTC热敏电阻测量壳温间的误差对结温估计值进行实时修正，从而很好的预测IGBT的实时结温。图4-5IGBT功率损耗仿真模型
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-42-图4-5为IGBT的电学损耗模型，根据第二章所搭建的导通与开关损耗数学公式进行建模。主要影响IGBT损耗的因素有：母线电压、导通电流、结温、开关频率以及PWM波的占空比，通过实时采集IGBT的工作参数计算当前功率损耗。图4-6IGBT热网络仿真模型图4-6为IGBT的Cauer热网络模型，根据第三章论述的方法获取热网络参数进行仿真建模，将功率损耗当做热网络的电流源输入，环境温度当做电压源输入。下图4-7为基于全阶状态观测器的IGBT模块结温预测仿真模型，模型包括有简单的IGBT工作电路、损耗模型、等效热网络模型以及结温状态观测器，基于真实的壳温与观测器估计的壳温之间的误差进行输出反馈调节，从而实现对结温估计值进行实时修正。图4-7基于全阶状态观测器的IGBT模块结温预测仿真模型
【参考文献】：
期刊论文
[1]功率IGBT模块热网络参数提取研究综述[J]. 王存乐,李志刚,李雄,孔梅娟. 电工电气. 2017(10)
[2]EV/HEV用IGBT将增长3倍,IGBT仿真与测试引关注[J]. 迎九. 电子产品世界. 2016(06)
[3]IGBT损耗和结温计算研究[J]. 杨洪波,王征宇,黄宜山. 大功率变流技术. 2016(01)
[4]IGBT模块开关损耗计算方法综述[J]. 李志刚,梅霜,王少杰,姚芳. 电子技术应用. 2016(01)
[5]一种电动汽车逆变器IGBT功率损耗和结温的近似计算方法[J]. 焦明亮,李云,吴春冬,朱世武,余军. 大功率变流技术. 2015(05)
[6]高压大容量IGBT测试技术探究[J]. 石蕊,袁咏歆. 科技创新与应用. 2015(25)
[7]电动汽车电机控制器IGBT模块功耗和温度计算[J]. 彭金城,潘春良,何葵,储祖江. 电力电子技术. 2014(03)
[8]IGBT动态参数测试方法分析[J]. 郑大勇,陈广聪. 电子产品可靠性与环境试验. 2013(S1)
[9]IGBT静态参数测试方法研究[J]. 李更生,杨莉,徐庆坤,张永健. 电力电子技术. 2012(12)
[10]电压源换流器开关器件损耗建模[J]. 吴锐,温家良,于坤山,陈中圆,韩健,蔚泉清. 中国电机工程学报. 2012(21)
博士论文
[1]电力电子器件及其装置的散热结构优化研究[D]. 张健.哈尔滨工业大学 2015
[2]中高压功率IGBT模块开关特性测试及建模[D]. 陈娜.浙江大学 2012
[3]基于IGCT的多电平变换器若干关键问题研究[D]. 袁立强.清华大学 2004
硕士论文
[1]压接型IGBT开关特性测试平台的设计及寄生电感提取[D]. 袁文迁.北京交通大学 2018
[2]高温环境下IGBT建模与结温预测方法研究[D]. 侯月.哈尔滨工业大学 2017
[3]IGBT的新型实时结温监测方法及其在电动汽车中的应用[D]. 李豪.重庆大学 2017
[4]基于组合式动态热敏电参数的功率IGBT模块结温提取研究与应用[D]. 王祥.浙江大学 2017
[5]电动汽车变流器的器件损耗与结温研究[D]. 汪绪彬.华南理工大学 2017
[6]基于端口电特性的IGBT模块可靠性研究[D]. 彭英舟.重庆大学 2017
[7]基于结构函数的IGBT芯片焊接质量分析与研究[D]. 许炜.华南理工大学 2016
[8]高压IGBT模块动态特性测试与建模[D]. 邹凯凯.华北电力大学 2015
[9]计及寄生参数的高频功率变换器能效分析与研究[D]. 陈爽.华南理工大学 2014
[10]IGBT热阻热谱和热瞬态过程的研究[D]. 丁现朋.山东大学 2014
本文编号：3574608
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