CN1952631B - 用于功率转换模块的结温预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于预测功率转换模块中的至少第一开关器件的结温的方法和装置，所述功率转换模块包含所述第一开关器件和至少第二开关器件，所述方法包含确定表示第二开关器件如何影响第一开关器件温度的交叉热阻抗值的步骤，以及利用该交叉热阻抗值预测所述至少第一开关器件的温度的步骤。

Description

用于功率转换模块的结温预测方法及装置

技术领域

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块，尤其涉及用于预测运行于低频或直流状态下的IGBT模块中的IGBT的结温的方法和装置。

背景技术

IGBT因其优越的操作特性(例如，高开关速度)被用于许多不同类型的功率调节模块，包括交流-直流转换器、直流-交流逆变器、交流-直流-交流转换器等等。例如，在直流-交流逆变器的情况下，排列着六个IGBT，连同六个二极管一起，组成逆变器桥。

在开关操作中，IGBT和二极管产生热量，热量的大小和开关频率以及通过器件的电流量有关。当IGBT或二极管结温超过了与器件类型相关联的特定阈值温度时，可知器件将出现故障。为了降低故障率，用于功率调节模块的IGBT和二极管常常安装在诸如空气或液体冷却的散热片之类的散热器上，并额定用于特定的电流电平/开关频率。

直接测量二极管或IGBT的结温是不可能的，因此器件结温只能估计或预测。为了预测在开关操作期间的器件结温，一些行业成员已经确定与每种器件类型关联的热阻抗，并在器件上(例如，与位于结本身相反而是安装在器件外壳上)安装温度传感器〔例如，负温度系数传感器(NTC传感器)〕。接着，在器件开关过程中，测得的器件温度和热阻抗用于计算器件的功率损耗，并因此预测IGBT结温。在下文中，上述预测结温的方法将被称为常规预测方法。这种方法在开关器件(例如，IGBT、二极管)和其它开关器件热绝缘〔即，器件被安装在单独的散热片上或在同一散热片上与其它器件分开足够距离(例如三倍器件宽度大小)〕的情况下运作良好。

为减少开关器件和二极管所需要的空间以及散热片组件的数量，在许多情况下，提供具有单一安装面的单一的散热片，组成调节电路的所有IGBT和二极管都安装在这单一安装面上。可惜，当器件以紧靠的形式安装在单一的散热片上时，上述常规预测方法显得不准确了。在单一散热片上紧密装配器件的情况下，由于一个器件非常靠近散热片上的其它器件，一个器件的热量会加热相邻的器件。在所有工作条件下一个器件的热量会增加相邻器件的温度，近邻加热效应在低开关频率以及调节电路工作在直流状态下时会加剧。例如，在至少一些实验中，已观察到六组(six-pack)IGBT逆变器模块中，在直流状态下，使用常规预测方法产生了近30摄氏度的最大预测误差。

为避免因预测误差引起的器件故障，一种方案是将转换模块(例如，逆变器、转换器等)额定在比用于配置模块的独立开关更低的电流和开关频率水平上(即，减少额定值)。尽管这个方案大体上消除了故障问题，但是该方案相对比较昂贵，因为需要包含更大和更贵的开关器件的电路以用于特定电流电平和开关频率。此外，由于开关器件物理上更大，所以用于安装器件的散热片更大，且容纳转换模块所需的总空间增加。

发明内容

已经认识到，可以通过考虑至少一部分模块中开关器件的加热的影响以及其它外界的加热特性的影响而充分提高结温预测算法的精度。因此，本发明包含通过考虑相邻器件的加热特性的至少一子集以及模块阻抗的至少一子集来相对精确地预测开关器件结温的方法和装置。

至少一些发明实施例包括一种预测功率转换模块中的至少第一开关器件的器件结温的方法，所述功率转换模块包括所述第一开关器件和至少第二开关器件，该方法包含确定表示第二开关器件的温度如何影响第一开关器件的温度的交叉热阻抗值的步骤，以及利用所述交叉热阻抗值来预测所述至少第一开关的温度的步骤。

在一些情况下，除了第一和第二器件外，所述模块包括多个附加的开关器件，以及所述方法进一步包括确定表示附加器件的温度如何影响第一开关器件的温度的多个附加器件中每一个附加器件的交叉热阻抗值的步骤，及利用所有这些交叉热阻抗值来预测至少第一开关器件的温度的步骤。

在一些实施例中，在第二和第一器件之间的交叉热阻抗值是第一阻抗值，且除了第一和第二器件以外，所述模块包括至少第三开关器件，所述方法进一步包括确定表示第三器件的温度如何影响第一器件的温度的第二交叉热阻抗值的步骤，其中第一和第二交叉热阻抗值是不同的。

在一些情况下，该方法进一步包括，确定和第一开关器件关联的固有热阻抗值的步骤，利用交叉热阻抗的步骤包含数学上组合固有热阻抗和交叉耦合阻抗来预测第一开关器件温度。

在一些实施例中，该方法进一步包括在至少接近模块处提供温度传感器的步骤，确定从第二开关器件到传感器的至少一个耦合热阻抗的步骤，以及通过传感器产生温度值的步骤，利用交叉热阻抗的步骤包括将交叉耦合阻抗、到传感器的至少一个耦合热阻抗、传感器产生的温度值、以及第一开关器件的固有阻抗数学组合来预测第一开关器件的结温。在一些情况下每个开关器件是二极管和IGBT之一。

一些实施例包括一种预测含有多个开关器件的功率转换模块中的至少第一开关器件的器件结温的方法，该方法包含开关活动中的以下步骤，确定第一开关器件的至少一个操作特性，并求解利用所确定的操作特性预测第一开关器件的温度的等式，求解的等式是第一开关器件相对多个开关器件中其它开关器件的位置的函数。在一些情况下，操作特性是第一开关器件的功率损耗。

在一些情况下，该等式考虑了相邻第一开关器件的开关器件的功率损耗，以及在第一开关器件和相邻器件之间的交叉热阻抗，所述方法进一步包括确定相邻第一开关器件的开关器件和第一开关器件之间的交叉热阻抗的步骤，以及在开关活动中，确定相邻第一开关器件的开关器件的功率损耗的步骤。

在一些情况下，相邻第一开关器件的开关器件是邻居器件，且该等式考虑了相邻所述邻居器件的开关器件的功率损耗，以及在相邻所述邻居器件的器件间的交叉热阻抗，所述方法进一步包括确定相邻一邻居开关器件的开关器件和第一开关器件间的交叉热阻抗的步骤，以及在开关活动中，确定相邻第一开关器件的开关器件的功率损耗的步骤。

一些实施例包括一种预测功率转换模块中的器件的至少一子集的器件结温的方法，所述功率转换模块包括形成安装表面的散热片以及安装在所述安装表面上的六个IGBT器件和六个二极管器件，该方法包含确定表示相邻器件彼此之间温度互相影响的交叉热阻抗值的步骤，在开关活动中，确定器件的至少一子集的功率损耗的步骤，以及利用器件功率损耗值和交叉热阻抗值来预测模块器件的至少一子集的温度的步骤。

在一些情况下，确定功率损耗的步骤包括确定每一个模块器件的功率损耗，利用功率损耗值和交叉热阻抗值的步骤包括利用所述值预测每一个模块器件的温度。

在一些实施例中，该方法进一步包括在至少接近模块处提供温度传感器的步骤以及通过传感器感测模块的温度的步骤，利用所述值预测模块器件的至少一子集的温度的步骤包括还利用感测出的温度值。

在一些情况下，该方法进一步包括确定在传感器和器件的至少一子集间的热耦合阻抗的步骤，利用所述值预测模块器件的至少一子集的温度的步骤还包括利用热耦合阻抗。

在一些情况下，该方法进一步包括确定模块器件的每一个的固有阻抗值的步骤，以及在开关活动中，确定每个器件的功率损耗的步骤，利用所述值预测温度的步骤还包括利用每个器件的固有阻抗值以及功率损耗。

此外，有些实施例包括一种和包含多个电气开关器件的模块一起使用的装置，该装置用于预测至少第一开关器件的结温，所述装置包含运行程序的处理器，来执行确定至少第二开关器件的功率损耗的步骤，利用至少第二开关器件的功率损耗值来预测第一开关器件结温。

在一些情况下，所述装置进一步包括数据库，其中存储了表示第一和第二器件间热阻抗的交叉热阻抗值，所述处理器利用功率损耗值和交叉热阻抗来预测第一开关器件的结温。

在一些情况下，所述数据库包括除第二器件之外的器件子集的交叉热阻抗值，表示第一器件和每个其它器件之间的热阻抗，所述处理器进一步确定器件子集中每个器件的功率损耗值，并利用所有的功率损耗值和交叉热阻抗值来预测第一开关器件结温。

通过下面的描述，本发明的这些和那些目的、优点和方面将更加清楚。在描述中，将参考作为说明书的一个部分的附图，其中示出了本发明的一个优选实施例。此实施例不需要代表本发明的全部范围，且因此作为参考，权利要求书解释本发明的范围。

附图说明

图1为三相逆变器的示意图；

图2为安装在机械散热片上的逆变器IGBT和二极管的透视图；

图3为示出了器件结和外壳层之间热阻抗的等效电路的示意图，一般由制造者提供其数值；

图4是类似图3的示意图，但示出了包括说明器件的固有阻抗的附加组件的等效电路；

图5类似图3，但示出了代表来自相邻器件的耦合热阻抗的等效电路；

图6类似图3，但示出了代表从逆变器器件到NTC温度传感器的耦合热阻抗的等效电路；

图7为示出图2中当二极管D3通电时二极管D3的器件温度的实验和曲线拟合图；

图8类似图7，但示出了图2中当二极管D4通电时，相应于开关S4的曲线；

图9类似图7，但示出了当开关S4通电时，相应于开关S3的曲线。

具体实施方式

温度预测模型的开发

现在参见附图，其中相同的附图标记在几张图中对应同样的元素，更明确地，参见图1，本发明将在示例的三相直流-交流逆变器型功率调节模块10的上下文中进行描述。模块10包括6个IGBT开关器件S1-S6以及6个二极管(也通常指开关器件)D1-D6、各二极管分别以反向并联关系连接到各IGBT。IGBT开关成对串联，跨接在正负直流总线，每对的中心节点连接到三相负载12(例如，电动机)的一个独立的相位上。如在功率转换领域众所周知那样，通过开关IGBT，可以控制输送到负载12上的三相电压。

继续参见图1，电流传感器23连接到电动机电源线，如标签所暗示的那样，用于检测线路电流。NTC温度传感器24安装在接近至少一个开关器件的位置处，用于测量接近器件的温度。处理器29接收来自电流传感器和NTC传感器24的信号，并利用收到的信号预测逆变器器件的温度。

参见图2，示出了六组逆变器模块14的透视图，其中包括机械散热片16、三个安装基板18、20和22、IGBT S1-S6、二极管D1-D6以及NTC温度传感器24。所述散热片包括水平安装表面26。IGBT对与相关联的二极管通过独立的一个基板各自安装到安装表面26。例如，IGBT S1和S2和相关联的二极管D1和D2通过器件S1、S2、D1和D2与散热片安装表面26之间的基板18而安装到表面26，器件S3、S4、D3和D4通过器件和表面26之间的基板20安装到表面26，以此类推。如图所示，基板18、20和22排列在一排上，这样基板20在基板18和22之间。NTC传感器24位于模块14的一个角内部。尽管没有示出，但是在邻近形成有鳍片的散热片后表面可以提供一个或多个风扇模块用于促进散热性能。

为了精确预测每一个模块器件的温度，必须解释不同热源对器件温度的影响。下面的讨论推导出考虑了在开关活动中影响器件温度的所有热源的方程式。

对于每个IGBT或二极管，在器件结和器件外壳之间的热阻抗可以用四个并联的RC子电路物理表示，除非另外说明，下文中称为“层”。所述四层可以如图3所示串联排列，将物理表示变换为数学表示。注意到如图3所示的变换后，子电路的“层”变得没有意义。在图3中，热电阻和对应于R和C组件的时间常数值一般由器件制造者提供。表1中示出了对应于EUPEC FS150R12KE3功率转换模块的四层中的每一层的示例热电阻和时间常数。

                                   表1

层	1	2	3	4
					Rdk	0.14283	0.17143	0.01931	0.00314
Tdk	0.06499	0.02601	0.002364	1.187e-5
					Rik	0.07559	0.09061	0.01039	0.00341

Tik

0.06499

0.02601

0.002364

1.187e-5

从图3中，可以用下面的数学等式表示与功率转换模块中单个器件关联的热阻抗：

ZI_jc＝R_i1//C_i1+R_i2//C_i2+R_i3//C_i3+R_i4//C_j4           等式1

ZD_jc＝R_d1//C_d1+R_d2//C_d2+R_d3//C_d3+R_d4//C_d4           等式2

其中ZI_jc和ZD_jc分别是IGBT器件和二极管器件的结-壳热阻抗，R_ik和C_ik分别是每个IGBT器件的第K层的热电阻和电容，而R_dk和C_dk分别是每个二极管器件的第K层的热电阻和电容。

由于在本范例中，IGBT和二极管器件直接安装在空气冷却的散热片上，当预测每个器件的温度时应当考虑外壳温度的升高。参见图4，通过实验认识到，在外壳的分界面平面和外界之间的热阻抗可以通过两个附加的R-C子电路或层作物理近似。包括R_L5和C_L5的散热片层RC子电路代表与器件对散热片的分界面平面和散热片的铝相关联的热脂温度升高。包括R_L6和C_L6的外界层RC子电路代表在散热片的分界面平面和外界平面之间(即，在散热片和散热片下空气之间)的温度升高。因此，安装在散热片上的IGBT和二极管器件的更完整的固有热阻抗可被图4中所示的电路数学表达，第i个IGBT从结到外界的固有阻抗ZII_ii以及第i个二极管从结到外界的固有热阻抗ZDD_ii可用下列两个等式表示：

ZII_ii＝ZI_jc+ZII_5ii+ZII_6ii              等式3

ZDD_ii＝ZD_jc+ZDD_5ii+ZDD_6ii              等式4

其中ZI_jc和ZD_jc分别是每个IGBT和二极管的结和外壳层之间的热阻抗(见上面的等式1和2)，ZII_5ii和ZDD_5ii分别是第i个IGBT和第i个二极管的散热片层的热阻抗，以及ZII_6ii和ZDD_6ii是外界层的阻抗(即，下标“5”和“6”对应图4中的第5和第6层RC层)。

在功率转换模块中的IGBT和二极管器件被相互非常靠近地安装在散热片上，因此必须考虑器件间的热耦合以精确预测器件温度。通过实验认识到，散热片上的IGBT和二极管器件之间的耦合热阻抗可通过并联RC子电路代表的两个附加层作物理近似。其中一个是散热片层，代表从外壳跨过热脂到散热片以及从热脂跨过散热片到外界的温度升高。另一个是外界层，代表散热片下空气的温度升高。因此在IGBT或二极管器件与邻接器件之间的耦合热阻抗可被图5所示数学表示，包括含有R_L1和C_L1以及R_L2和C_L2的串联RC子电路。从第i个IGBT到第j个IGBT的耦合ZII_ij阻抗以及从第i个IGBT到第j个二极管器件的阻抗ZID_ij可用下列等式表达：

ZII_ij＝ZII_5ij+ZII_6ij                    等式5

ZID_ij＝ZID_5ij+ZID_6ij                    等式6

其中ZII_5ij和ZID_5ij分别是在散热片层从第i个IGBT到第j个IGBT以及到第j个二极管的耦合热阻抗，而ZII_6ij和ZID_6ij分别是在外界层从第i个IGBT到第j个IGBT以及到第j个二极管的耦合热阻抗。通常，两芯片之间的耦合热阻抗随它们的距离增大而减少。

同样，从第i个二极管到其它模块器件的耦合热阻抗同样可用下面的等式表达：

ZDI_ij＝ZDI_5ij+ZDI_6ij                     等式7

ZDD_ij＝ZID_5ij+ZID_6ij                     等式8

其中ZDI_ij和ZDD_ij分别是从第i个二极管到第j个IGBT以及到第j个二极管的耦合热阻抗，ZDI_5ij和ZDD_5ij分别是在散热片层从第i个二极管到第j个IGBT以及到第j个二极管的耦合热阻抗，而ZDI_6ij和ZDD_6ij分别是在外界层从第i个IGBT到第j个IGBT以及到第j个二极管的耦合热阻抗。

当多个IGBT和二极管工作在单个模块上时，可归因于其它器件的一个器件从它的结到外界之间的总温度升高是全部IGBT和二极管的贡献的总和，如下面的等式所示：

${\mathrm{TI}}_k=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZII}}_{5\mathrm{ki}}\·{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDI}}_{6\mathrm{ki}}\·{\mathrm{PD}}_i+T_{\mathrm{amb}}$ 等式9

${\mathrm{TD}}_k=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZID}}_{5\mathrm{ki}}\·{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDD}}_{6\mathrm{ki}}\·{\mathrm{PD}}_i+T_{\mathrm{amb}}$ 等式10

其中TI_k是第k个IGBT的结温，TD_k是第k个二极管的结温，PI_k是第k个IGBT的功率损耗，PD_k是第k个二极管的功率损耗，以及T_amb是外界温度。

IGBT和二极管温度通常是利用NTC传感器24(见图2)确定的温度值进行预测的。可是，如图2所示，NTC传感器与器件结隔开，那么因此结和NTC传感器之间存在热阻抗，从而传感器产生的值不能准确反映结温。由于这个原因，应该考虑在器件结和NTC传感器之间的热阻抗的影响，以便准确地预测结温。利用和上面描述的方法相似的方法，NTC温度可以通过了解器件损耗以及器件到NTC传感器的距离来预测。图6中示出了代表从安装在散热片上的IGBT和二极管器件到NTC传感器的耦合热阻抗的双层RC电路，其中散热片和外界层阻抗由包含R_L3和C_L3以及R_L4和C_L4的串联RC子电路表示。第i个IGBT和第i个二极管到NTC传感器的耦合热阻抗ZIN_i和ZDN_i分别由下列两个等式表示：

ZIN_i＝ZIN_5i+ZIN_6i                        等式11

ZDN_i＝ZDN_5i+ZDN_6i                        等式12

其中ZIN_5i和ZIN_6i分别是在散热片层和外界层第i个IGBT到NTC传感器的耦合热阻抗，ZDN_5i和ZDN_6i分别是在散热片层和外界层第i个二极管到NTC传感器的耦合热阻抗。

NTC的总温度升高T_ntc表示如下：

$T_{\mathrm{ntc}}=\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{5i}\·{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{6i}\·{\mathrm{PD}}_i+T_{\mathrm{amb}}$ 等式13

将等式3至等式13组合，形成下面的等式利用热阻抗矩阵和已知器件功率损耗来直接计算IGBT和二极管温度估值：

TI＝ZII·PI+ZDI·PD+Tamb                 等式14

TD＝ZDI·PI+ZDD·PD+Tamb                 等式15

其中：

TI＝[TI₁TI₂…TI₆]^T是IGBT温度矢量，

TD＝[TD₁TD₂…TD₆]^T是二极管温度矢量，

PI＝[PI₁PI₂…PI₆]^T是IGBT功率损耗矢量，

PD＝[PD₁PD₂…PD₆]^T是二极管功率损耗矢量，

T_amb＝[T_amb1T_amb2…T_amb6]^T是外界温度矢量。

在等式14和15中，ZII、ZDI、ZID和ZDD每个都是6×6的矩阵，分别代表了从IGBT到IGBT、从IGBT到二极管、从二极管到IGBT和从二极管到二极管的耦合热阻抗矩阵。6×6的矩阵表示如下：

$\mathrm{ZII}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{ZII}}_{11}& {\mathrm{ZII}}_{12}& ...& {\mathrm{ZII}}_{16}\\ {\mathrm{ZII}}_{21}& {\mathrm{ZII}}_{22}& ...& {\mathrm{ZII}}_{26}\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{ZII}}_{61}& {\mathrm{ZII}}_{62}& ...& {\mathrm{ZII}}_{66}\end{array}\right]$

$\mathrm{ZDI}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{ZDI}}_{11}& {\mathrm{ZDI}}_{12}& ...& {\mathrm{ZDI}}_{16}\\ {\mathrm{ZDI}}_{21}& {\mathrm{ZDI}}_{22}& ...& {\mathrm{ZDI}}_{26}\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{ZDI}}_{61}& {\mathrm{ZDI}}_{62}& ...& {\mathrm{ZDI}}_{66}\end{array}\right]$

$\mathrm{ZID}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{ZID}}_{11}& {\mathrm{ZID}}_{12}& ...& {\mathrm{ZID}}_{16}\\ {\mathrm{ZID}}_{21}& {\mathrm{ZID}}_{22}& ...& {\mathrm{ZID}}_{26}\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{ZID}}_{61}& {\mathrm{ZID}}_{62}& ...& {\mathrm{ZID}}_{66}\end{array}\right]$

$\mathrm{ZDD}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{ZDD}}_{11}& {\mathrm{ZDD}}_{12}& ...& {\mathrm{ZDD}}_{16}\\ {\mathrm{ZDD}}_{21}& {\mathrm{ZDD}}_{22}& ...& {\mathrm{ZDD}}_{26}\\ ...& ...& ...& ...\\ {\mathrm{ZDD}}_{61}& {\mathrm{ZDD}}_{62}& ...& {\mathrm{ZDD}}_{66}\end{array}\right]$

其中ZII_jj、ZDI_ij、ZID_ij和ZDD_ij为上面讨论的阻抗。

应当理解到等式14和15相对复杂，并且对于使用标准驱动微处理器解答来说有些难以负担。由于这个原因，下文中作出若干假想使得等式14和15简化成为可能。至此，基于图2所示的IGBT和二极管的位置，可以作出若干假想和近似来简化等式。首先，外界层中耦合阻抗和固有热阻抗相等，因此：

ZII_6ij＝ZDI_6ij＝ZID_6ij＝ZDD_6ij＝ZIN_6i＝ZDN_6i＝Z_amb       等式16

其次，在散热片层，和离一个器件相同或相似距离的邻居或相邻器件关联的耦合阻抗应为近似相等或至少足够相似，使得这些耦合阻抗之间的差别微不足道可被忽略，因此：

ZII_5ij|_|i-j|＝1＝ZDD_5ij|_|i-j|＝1＝ZID_5ij|_|i-j|＝1＝ZDI|_|i-j|＝1＝Z₁    等式17

ZII_5ij|_|i-j|＝2＝ZDD_5ij|_|i-j|＝2＝ZID_5ij|_|i-j|＝2＝ZDI|_|i-j|＝2＝Z₂    等式18

其中Z₁对应于与结温待预测的特定器件相距一个器件(即相邻)的器件，Z₂对应于与结温待预测的特定器件相距两个器件的器件。

第三，在散热片层，在分开相对远距离的器件之间的耦合阻抗可以忽略。例如，虽然相邻器件和距离第一器件一个或二个器件尺寸(即一或两个器件宽度)的器件会影响第一器件的温度，但是距离第一器件三个或更多器件尺寸的器件对第一器件的温度只有可忽略的影响，因此该影响可被忽略而不会显著影响最终温度预测。在此，例如，当与结温待预测的那个器件相距大于两个器件尺寸的器件的影响被忽略时，下面等式代表的关系将足够精确：

ZII_5ij|_|i-j|＞2＝ZDI_5ij|_|i-j|＞2＝ZID_5ij|_|i-j|＞2＝ZDD|_|i-j|＞2＝0    ZIN_5i|_i＞2＝ZDN|_i＞2＝0    等式19

组合等式14、以及16至19，组成下面的IGBT温度矢量等式：

TI＝[(ZI₀+Z_jc)I₆+Z]PI+[ZDI₀·I₆+Z]PD+P·Zamb·A+Tamb           等式20

其中：

I₆是6×6的单位矩阵，

P是所有IGBT和二极管的总损耗，

A＝[11…1]^T是6×1的矢量，以及

Z是耦合热阻抗矩阵，它具有以下的形式：

$Z=\left[\begin{array}{cccccc}0& Z_1& Z_2& 0& 0& 0\\ Z_1& 0& Z_1& Z_2& 0& 0\\ Z_2& Z_1& 0& Z_1& Z_2& 0\\ 0& Z_2& Z_1& 0& Z_1& Z_2\\ 0& 0& Z_2& Z_1& 0& Z_1\\ 0& 0& 0& Z_2& Z_1& 0\end{array}\right]$

类似地，等式15至19也可以组合成下面的二极管温度矢量等式：

TD＝[(ZD₀+ZD_jc)I₆+Z]PI+[ZID₀I₆+Z]PD+PZamb·A+Tamb    等式21

等式13和16至19可以组合来简化NTC温度等式如下：

$T_{\mathrm{ntc}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{5i}{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDN}}_{5i}{\mathrm{PD}}_i+\mathrm{PZamb}\·A+T_{\mathrm{amb}}$ 等式22

通过检查等式20-22，应认识到在利用NTC传感器值预测IGBT和二极管温度时可以取消外界层中的热阻抗。然而散热片层的耦合热阻抗不能被忽略。

等式20和22可组合成下面的等式，用来从NTC传感器温度和功率损耗预测IGBT结温：

$\mathrm{TI}-T_{\mathrm{ntc}}A=[({\mathrm{ZI}}_0+Z_{\mathrm{jc}})I_6+Z]\mathrm{PI}+[{\mathrm{ZDI}}_0\·I_6+Z]\mathrm{PD}-(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{5i}{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDN}}_{5i}{\mathrm{PD}}_i)\·A$

                                        等式23

类似地，等式20和21可组合成下面的等式，用来从NTC传感器温度和功率损耗预测二极管结温：

$\mathrm{TD}-T_{\mathrm{ntc}}A=[({\mathrm{ZD}}_0+{\mathrm{ZD}}_{\mathrm{jc}})I_6+Z]\mathrm{PI}+[{\mathrm{ZID}}_0{I}_6+Z]\mathrm{PD}-(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{5i}{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDN}}_{5i}{\mathrm{PD}}_i)\·A$

                                        等式24

从等式23和24看出，当形成等式23和24时，等式21和22的外界层阻抗和外界温度都被取消。

等式23和24中的热阻抗可通过对在模块上的每一个IGBT和每一个二极管器件施加脉冲电流来直接计算。例如，每一个IGBT和二极管器件可被注入110A，250秒电流脉冲，而在脉冲过程中的器件温度可被直接测得和记录。接着可通过曲线拟合程序(例如，用Mathworks公司所有的Matlab或其它类似软件编写的程序)计算相应的热阻抗。

再次参见图2并参见图7，图7中绘制的数据显示了当第三二极管D3通电时第三二极管D3的实际温度的实验结果和曲线拟合温度。图8显示了当第四二极管D4通电时第四IGBT S4的实际温度的实验结果和曲线拟合温度。在图8中可以看到二极管D4的温度显然影响相邻的IGBT S4的温度。图9显示了当第四IGBT S4通电时第三IGBT S3的实际温度的实验结果和曲线拟合温度。在图9中可以看到IGBT S4的温度显然影响相邻的IGBT S3的温度。

在用来产生图7到9所示的拟合曲线的曲线拟合程序中，采用两层模型来近似每一个器件的耦合及固有热阻抗。查看图7到9，两层热阻抗模型的效果清楚地得到证实。

利用曲线拟合软件和等式23及24确定的示例性的耦合阻抗值列在表2、3和4中，其中表2显示了散热片层的热阻抗值，表3显示了外界层的耦合热阻抗，表4显示了从IGBT和二极管到NTC传感器的耦合热阻抗值。

                                    表2

	ZI0	ZD0	ZDI0	Z1	Z2
						R(k/w)	0.1308	0.15	0.0885	0.047	0.02
t(s)	1.5	2.2	1.5	1.5	2

                                    表3

距离

ZI0

ZD0

Z1

Z2

Z3

Z4

R(k/w)	0.055	0.055	0.055	0.05	0.036	0.032
							t(s)	46	46	60	60	80	80

                                          表4

散热片层	ZDN51	ZDN52	ZDN53	ZIN51	ZIN52	ZIN53
							R(k/w)	0.084	0.054	0.017	0.033	0.038	0.005
t(s)	1.45	2.17	10	3.54	3.85	2.00

利用表1、2和3，在本范例中，可通过将表1中的四个有关IGBT的电阻以及与表2和表3中ZI₀散热片和外界层相关联的电阻相加来产生下列值，从而计算IGBT的固有热阻抗：

R_II＝0.3657k/w                           等式25

类似地，再次参见表1、2和3，在本范例中，可通过将表1中的四个有关二极管的电阻以及与表2和表3中ZD₀散热片和外界层相关联的电阻相加来产生下列值，从而计算二极管器件的固有热阻抗：

R_DD＝0.545k/w                            等式26

将等式25和26表示的值和表2和3中显示的耦合热阻抗值(例如，Z₁，Z₂，Z₃等)进行比较，可得出下面的结论。首先，在散热片层中，在相邻芯片之间的耦合热阻抗值Z₁，Z₂远远小于固有阻抗，因此阻抗值Z₁，Z₂可以至少有些误差而不会显著影响温度预测精度。其次，在外界层中的耦合热阻抗(见图3)相比固有阻抗来说是微不足道的，因此可以假定为一致的热阻抗而不会显著影响温度预测精度。这些假定是符合上面的等式23和24是相对精确的这种理解的。

结论

温度预测等式23和24用于预测在器件运行在直流情况下时模块器件的结温。在测试中，研究了四种模型并相互比较，因此可以确定等式23和24的精确性。

第一个模型称为“R_jc模型”，其中假设均匀的外壳温度。在这种情况下，NTC温度假设等于外壳层。

第二个模型指“无邻居”模型，因为，如标记所暗示的那样，该模型不考虑在邻居或相邻的IGBT和二极管间的热耦合。因此，在这种情况下，假设Z₁和Z₂在上面的温度预测等式(即，在等式23和24以及等式20中的Z矩阵)中每个都等于0。然而，在第二个模型中，器件本身的热阻抗(例如，ZII₀，ZDD₀)是要考虑的。

第三个模型指“一个邻居”模型，因为该模型包括考虑在最接近或紧邻于结温待预测的特定器件的器件之间的耦合热阻抗的等式。在此，当一个器件与温度待预测的器件之间至少间隔一个其它器件时，耦合热阻抗值被忽略。因此，在第三个模型中，在等式20、23和24中的Z₂被设为等于0。

第四个模型指“两个邻居”模型，因为该模型包括考虑紧邻于结温待预测的特定器件的器件以及邻近紧邻器件的器件(即，距温度待预测的器件不超过两个器件距离的器件)之间的耦合热阻抗的等式。在此，一个器件与温度待预测的器件之间至少间隔两个其它器件时，耦合热阻抗值被忽略。

在测试中，类似图2所示模块14的逆变器模块在下面的条件下运行：

直流总线电压：300V

开关频率：2kHz～10kHz

负载电流振幅：20A～100A

负载电流角度：0°～330°

外界温度：22℃

在测试中最热的器件的温度升高最大值大约110℃。

表5分别显示了四个模型中每一个的所有IGBT和二极管的最大和最小温度预测误差Max(Terr)和Min(Terr)。在表5中，Terr被定义为预测的结温减去测试温度，且当预测温度高于测试结果时，为正。为了增加功率损耗计算的精度，通过考虑结温的影响而详细计算IGBT和二极管的电压下降。得出的温度误差如表5所示。此外，用最坏情况125℃V/I曲线并忽略结温对电压下降的影响，还计算最大电压下降。假设125℃曲线时的最大温度误差值在此没有示出，但是注意到最大值在结温影响被考虑时与图5所示的那些几乎相同。因此，可以得出结论，125℃曲线可被使用而不会显著地影响预测精度。

                          表5

Terr	Rjc模型	无邻居	一个邻居	两个邻居
					Max(Terr)	20.9	10.4	10.1	10.2

Min(Terr)

-32.1

-18.2

-8.5

-7.9

从表5中可以看出R_jc模型导致了大的最大温度预测误差(30℃)。因此，不可能通过在直流状态下假设均匀的外壳温度和NTC温度而精确预测结温。

“一个邻居”模型是产生相对精确结果的最简单模型，而“两个邻居”模型没有显著地比一个邻居模型更精确。

在考虑了邻居器件之间的热分界面后，还有近±10℃的最大温度预测误差。这些误差大部分是由正向电压下降的波动、开关损耗、电流/电压测量、不同芯片的非理想几何形状和热电阻产生的。

再次参见表2、3和4，在通过Mathlab或其它一些类似产品确定了用于解答等式23和24的值以后，这些值可以在相关模块14(见图2)的正常运行中被用于等式23和24来预测器件温度。

应该认识到，已经为以三相电压源逆变器工作的的六组绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块推导了热模型。用这个方法，两个或更多热层加入到系统来从NTC传感器值预测芯片温度。这个发明的模型在逆变器运行于0或低输出频率时提高了温度预测精度。该模型不复杂并且可以被容易地集成到微控制器程序来动态地预测温度。

上面描述了本发明的一个或多个具体实施例。应该理解到，在任何此类实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出大量与特定实现相关的决定来实现开发者的特定目的，例如服从系统相关和商业相关的约束，这对于不同的实现来说可能是不相同的。此外，应该理解到，这种开发努力可能是复杂而且费时的，但是普通技术人员得益于本揭示，可采用程式化的设计、制作和制造的途径。

因此，本发明涵盖了所有落入权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的修改、等价物和替换。例如，虽然上面描述有用的算法，其中在相邻和一个离开的器件之间的热耦合用于预测特定器件的结温，然而在一些情况下，可以使用其它算法以考虑其它模块器件之间甚至所有安装在相同散热片构件上的模块器件之间的热耦合。

此外，虽然本发明用六组模块的上下文描述，但是应该理解到，本发明在如四组、十二组、十八组等之类的其它模块的上下文中也是有用的。

此外，虽然本发明用包括IGBT的模块的上下文描述，但是应该理解到，本发明可以用于包含了如MOSFET、IGCT等之类的其它器件类型的其它模块。

另外，虽然上面描述的NTC位于模块外壳上，但是在至少一些实施例中，NTC可以位于其它仍然十分靠近模块的位置，并且将产生满意的结果。

在这一点，应该理解到，图3-6示出的电路不是代表了精确的系统阻抗，而本质上是预测性的。类似地，基于图3-6的等式以及上述基于不同假设的修改不是精确的，而本质上是预测性的。

Claims (15)

1.一种用于预测功率转换模块(14)中的至少第一开关器件(S1)的结温的方法，所述功率转换模块包括所述第一开关器件和至少第二开关器件(S2)，所述方法包含以下步骤：

确定表示所述第二开关器件如何影响所述第一开关器件的结温的交叉热阻抗值(RL1，RL2，CL1，CL2)；以及

利用该交叉热阻抗值预测所述至少第一开关器件的结温。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，除了第一和第二开关器件以外，所述功率转换模块包括多个附加的开关器件(S3，S4，S5，S6)，所述方法进一步包括确定表示附加开关器件的温度如何影响第一开关器件的结温的多个附加开关器件中每一个附加开关器件的交叉热阻抗值的步骤，及利用所有这些交叉热阻抗值来预测所述至少第一开关器件的结温的步骤。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，在第二和第一开关器件之间的交叉热阻抗值是第一交叉热阻抗值，且除了第一和第二开关器件以外，所述功率转换模块包括至少第三开关器件(S3)，所述方法进一步包括确定表示第三开关器件(S3)的温度如何影响第一开关器件的温度的第二交叉热阻抗的步骤，其中第一交叉热阻抗值和第二交叉热阻抗值是不同的。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，进一步包括确定和第一开关器件(S1)关联的固有热阻抗值的步骤，利用交叉热阻抗值的步骤包括将固有热阻抗和交叉热阻抗的数学组合来预测第一开关器件的结温的步骤。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，进一步包括：在至少接近所述功率转换模块(14)处提供温度传感器(24)的步骤，确定从第二开关器件(S2)到所述温度传感器(24)的至少一个耦合热阻抗(RL4，RL5，CL4，CL5)的步骤，以及通过所述温度传感器(24)产生温度值的步骤，所述利用交叉热阻抗值的步骤包括将交叉热阻抗、到温度传感器的至少一个耦合热阻抗、温度传感器产生的温度值、以及第一开关器件的固有热阻抗数学组合来预测第一开关器件的结温。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，每个开关器件是二极管和IGBT之一。

7.一种用于预测功率转换模块(14)中的器件的至少一子集(S1，S2)的结温的方法，所述功率转换模块包括形成安装表面(26)的散热片以及安装在所述安装表面上的六个IGBT器件(S1，S2，S3，S4，S5，S6)和六个二极管器件(D1，D2，D3，D4，D5，D6)，该方法包括以下步骤：

确定表示相邻器件之间温度互相影响的交叉热阻抗值；

在开关活动中，确定器件的至少一子集的功率损耗；以及

利用器件的至少一个子集的功率损耗值和交叉热阻抗值来预测所述功率转换模块(14)中的器件的至少一子集的结温的步骤。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述确定功率损耗的步骤包括确定所述功率转换模块(14)中的每一个器件的功率损耗的步骤，并且利用功率损耗值和交叉热阻抗值的步骤包括利用所述值预测所述功率转换模块(14)中的每一个器件的结温。

9.如权利要求8所述方法，其特征在于，进一步包括在至少接近所述功率转换模块(14)处提供温度传感器(24)的步骤，以及通过所述温度传感器(24)感测所述功率转换模块的温度的步骤，所述利用所述值预测所述功率转换模块(14)中的器件的至少一子集的结温的步骤还包括利用感测的温度值。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于，进一步包括确定在所述温度传感器和器件的至少一子集间的耦合热阻抗(RL4，RL5，CL4，CL5)的步骤，所述利用所述值预测所述功率转换模块中的器件的至少一子集的结温的步骤还包括利用耦合热阻抗。

11.如权利要求10所述方法，其特征在于，进一步包括确定所述功率转换模块中的每一个器件的固有热阻抗值的步骤，以及在开关活动中，确定所述功率转换模块(14)中的每一个器件的功率损耗，所述利用所述值预测温度的步骤还包括利用每个器件的固有热阻抗值以及功率损耗。

12.如权利要求11所述方法，其特征在于，预测所述功率转换模块(14)中的器件的至少一个子集的器件结温的步骤包括预测IGBT结温，且预测IGBT结温的步骤进一步包括求解下列矩阵等式的步骤：

$\mathrm{TI}-T_{\mathrm{ntc}}A=[({\mathrm{ZI}}_0+Z_{\mathrm{jc}})I_6+Z]\mathrm{PI}+[{\mathrm{ZDI}}_0\·I_6+Z]\mathrm{PD}-(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{5i}{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDN}}_{5i}{\mathrm{PD}}_i)\·A$

其中：

TI＝[TI₁ TI₂…TI₆]^T是IGBT温度矢量；

PI＝[PI₁ PI₂…PI₆]^T是IGBT功率损耗矢量；

PD＝[PD₁ PD₂…PD₆]^T是二极管功率损耗矢量；

T_ntc是由接近所述功率转换模块的温度传感器产生的温度值；

A＝[1 1…1]^T是6×1的矢量；

Z_jc是从器件结到外壳的热阻抗；

ZI₀是每个IGBT对其自身的固有热阻抗；

ZDI₀是从IGBT到二极管的交叉热阻抗；

ZIN_5i是从第i个IGBT到温度传感器的耦合热阻抗；

ZDN_5i是从第i个二极管到温度传感器的耦合热阻抗；

PI_i是第i个IGBT的功率损耗；

PD_i是第i个二极管的功率损耗；

I₆是6×6的单位矩阵；以及

Z是耦合热阻抗矩阵。

13.如权利要求12所述方法，其特征在于，所述耦合热阻抗矩阵Z如下：

$Z=\left[\begin{array}{cccccc}0& Z_1& Z_2& 0& 0& 0\\ Z_1& 0& Z_1& Z_2& 0& 0\\ Z_2& Z_1& 0& Z_1& Z_2& 0\\ 0& Z_2& Z_1& 0& Z_1& Z_2\\ 0& 0& Z_2& Z_1& 0& Z_1\\ 0& 0& 0& Z_2& Z_1& 0\end{array}\right]$

其中Z₁是在相邻器件之间的交叉热阻抗，而Z₂是通过一第三器件与一第二器件隔离的一第一器件之间的交叉热阻抗，其中所述第一、第二和第三器件都是功率转换模块(14)中的器件。

14.如权利要求12所述方法，其特征在于，预测所述功率转换模块(14)中的器件的至少一个子集的器件结温的步骤包括预测二极管结温，并且预测二级管结温的步骤进一步包括求解下列矩阵等式的步骤：

$\mathrm{TD}-T_{\mathrm{ntc}}A=[({\mathrm{ZI}}_0+Z_{\mathrm{jc}})I_6+Z]\mathrm{PI}+[{\mathrm{ZID}}_0\·I_6+Z]\mathrm{PD}-(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZIN}}_{5i}{\mathrm{PI}}_i+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ZDN}}_{5i}{\mathrm{PD}}_i)\·A$

其中：

TD＝[TD₁ TD₂…TD₆]^T是二极管温度矢量；

PI＝[PI₁ PI₂…PI₆]^T是IGBT功率损耗矢量；

PD＝[PD₁ PD₂…PD₆]^T是二极管功率损耗矢量；

T_ntc是由接近所述功率转换模块的温度传感器产生的温度值；

A＝[1 1…1]^T是6×1的矢量；

ZD_jc是从每个二极管的结到外壳的热阻抗；

ZD₀是每个二极管对其自身的固有热阻抗；

ZID₀是从二极管到IGBT的交叉热阻抗；

ZIN_5i是从第i个IGBT到温度传感器的耦合热阻抗；

ZDN_5i是从第i个二极管到温度传感器的耦合热阻抗；

PI_i是第i个IGBT的功率损耗；

PD_i是第i个二极管的功率损耗；

I₆是6×6的单位矩阵；以及

Z是耦合热阻抗矩阵。

15.如权利要求14所述方法，其特征在于，所述耦合热阻抗矩阵Z如下：

$Z=\left[\begin{array}{cccccc}0& Z_1& Z_2& 0& 0& 0\\ Z_1& 0& Z_1& Z_2& 0& 0\\ Z_2& Z_1& 0& Z_1& Z_2& 0\\ 0& Z_2& Z_1& 0& Z_1& Z_2\\ 0& 0& Z_2& Z_1& 0& Z_1\\ 0& 0& 0& Z_2& Z_1& 0\end{array}\right]$

其中Z₁是相邻器件之间的交叉热阻抗，而Z₂是通过一第三器件与一第二器件隔离的一第一器件之间的交叉热阻抗，其中所述第一、第二和第三器件都是功率转换模块(14)中的器件。

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