基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法及系统

技术领域

本发明涉及列车牵引控制技术领域，更具体的说，涉及一种基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法及系统。

背景技术

目前列车的牵引控制主要是以在水冷系统管路中的温度传感器或功率模块上温度继电器进行牵引变流器的控制和保护。

对于当前列车牵引变流器功率模块，对于功率模块，检测模块温度主要采用外部检测法，即在功率模块散热器上布置温度继电器，温度继电器是靠近IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件，但同时保持有一定距离，随着IGBT工作使功率模块散热器温度升高，检测散热器台面温度的温度继电器在达到设定温度后给牵引变流器控制装置TCU(Traction Control Unit)，从而封锁IGBT脉冲使牵引变流器停止工作。

温度继电器大多安装在IGBT的散热器上且与IGBT有一定的距离，管路中的温度传感器则在冷却管路系，温度继电器或者冷却系统管路中的温度传感器在检测结果上误差较大。

IGBT在工作中由于负载过大，设计余量不足、环境温度过高或者冷却系统故障都会导致芯片结温升高。

目前，IGBT最高的结温为150℃，大部分厂家都会建议将最高运行结温控制在允许温度以下，以保证IGBT不会损坏，有效检测IGBT的温度并及时的进行保护，实现列车的最优运行控制变得尤为重要。

如何准确测量IGBT运行结温、确保IGBT运行结温在安全温度以下，并实现基于IGBT结温的最优列车运行控制和冷却系统的节能优化是迫切需要解决的问题。

在列车牵引控制过程中，如何实现牵引变流器冷却风机的调频调压最优工作，达到冷却系统的节能化，也是目前研究的重点工作。

对于大功率的牵引变流器，冷却系统为水冷系统，在功率模块上布置有温度继电器外，同时在水冷系统的管路系统设置有温度传感器。模块上的温度继电器动作温度在85℃左右，水冷系统管路中的温度传感器检测保护值在55℃-75℃之间，两种温度检测方式在检测IGBT运行真实结温的误差都比较大。

列车牵引变流器工作的正常与否都是基于温度继电器和管路中温度传感器的温度是否超过设定值，在超过设定值时牵引变流器则会停止工作。

由于温度检测方式的误差较大，控制列车运行的牵引变流器不能最大化的发挥IGBT的电气特性，冷却风机也是在定频或者高低速工况下运转，过大的冷却能力亦造成能源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于IGBT器件结温的列车牵引控制方法及系统，解决基于现有技术的温度检测方式的列车运行控制和冷却系统优化误差较大的问题，实现效率和效能的提升。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法，包括以下步骤：

S1、实时采集IGBT器件下方散热器的温度参数和IGBT器件的电流参数；

S2、计算IGBT器件的实时运行结温；

S3、牵引变流器控制装置根据IGBT器件运行实时结温，进行列车运行控制和冷却系统的优化。

在一实施例中，所述IGBT器件包括多个IGBT芯片和FWD(Freewheeling diode，续流二极管)芯片；

所述步骤S2中，IGBT器件内部IGBT芯片的结温T

T

T

其中，R

R

R

Tf为IGBT器件下方散热器的温度；

Tc为IGBT器件下方的壳温；

P

P

在一实施例中，所述步骤S2中，IGBT芯片损耗P

IGBT稳态损耗P

IGBT开关损耗P

其中，D为占空比，MR为调制深度，θ为初相角；

V

I

x为牵引变压器的相位角；

P

P

f

在一实施例中，所述步骤S2中，FWD芯片损耗P

FWD稳态损耗P

FWD反向恢复损耗P

其中，MR为调制深度，θ为初相角，V

x为牵引变压器的相位角；

I

I

t

f

V

在一实施例中，所述步骤S3中：

根据牵引变流器整流模块的IGBT器件运行实时结温，牵引变流器控制装置发送驱动控制信号至牵引变流器整流模块，改变牵引变流器整流模块的开关频率和控制策略，优化网侧谐波。

在一实施例中，所述步骤S3中：

根据牵引变流器逆变模块的IGBT器件运行实时结温，牵引变流器控制装置发送驱动控制信号至牵引变流器逆变模块，牵引变流器逆变模块输出VVVF(Variable Voltageand Variable Frequency，可变电压、可变频率)的电压电流至牵引电机，实现列车加速、减速和制动的优化控制。

在一实施例中，所述步骤S3中：

根据牵引变流器的IGBT器件运行实时结温，牵引变流器控制装置发送驱动控制信号至带有控制器的冷却风机，控制器根据驱动控制信号实现冷却风机的风压和风量控制，实现高效节能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制系统，包括温度检测装置和牵引变流器：

所述牵引变流器，包括牵引变流器控制器；

所述温度检测装置，布置在牵引变流器的IGBT器件的下方散热器，采集温度参数发送至牵引变流器控制器；

所述牵引变流器控制器，计算IGBT器件的实时运行结温，根据计算结果进行列车运行控制和冷却系统的优化。

在一实施例中，所述IGBT器件包括多个IGBT芯片和FWD芯片；

IGBT器件内部IGBT芯片的结温T

T

T

其中，R

R

R

Tf为IGBT器件下方散热器的温度；

Tc为IGBT器件下方的壳温；

P

P

在一实施例中，所述IGBT芯片损耗P

IGBT稳态损耗P

IGBT开关损耗P

其中，D为占空比，MR为调制深度，θ为初相角；

V

I

x为牵引变压器的相位角；

P

P

f

在一实施例中，所述FWD芯片损耗P

FWD稳态损耗P

FWD反向恢复损耗P

其中，MR为调制深度，θ为初相角，V

x为牵引变压器的相位角；

I

I

t

f

V

在一实施例中，所述牵引变流器控制装置，根据牵引变流器整流模块的IGBT器件运行实时结温，发送驱动控制信号至牵引变流器整流模块，改变牵引变流器整流模块的开关频率和控制策略，优化网侧谐波。

在一实施例中，所述牵引变流器控制装置，根据牵引变流器逆变模块的IGBT器件运行实时结温，发送驱动控制信号至牵引变流器逆变模块，牵引变流器逆变模块输出VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency，可变电压、可变频率)的电压电流至牵引电机，实现列车加速、减速和制动的优化控制。

在一实施例中，所述牵引变流器控制装置，根据牵引变流器的IGBT器件运行实时结温，发送驱动控制信号至带有控制器的冷却风机，控制器根据驱动控制信号，实现冷却风机的风压和风量控制，实现冷却系统的高效节能。

本发明提出的一种基于IGBT器件结温的列车牵引控制方法及系统，通过精准计算IGBT器件的实时运行结温，根据IGBT器件结温波动优化列车运行控制的加减速，实现列车线路运行的最优控制，充分发挥IGBT器件的电气特性，提高IGBT的应用可靠性，提升了从器件、牵引变流器和列车运行的精细化设计能力，同时牵引变流器根据IGBT运行实时结温实现冷却系统的最优控制，实现高效、绿色、节能和环保。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明一实施例的基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法流程图；

图2揭示了根据本发明一实施例的IGBT器件的电路原理图；

图3揭示了根据本发明一实施例的IGBT器件的结温计算热等效电路图；

图4揭示了根据本发明一实施例的IGBT器件的损耗组成示意图；

图5揭示了根据本发明一实施例的温度传感器布置示意图；

图6揭示了根据本发明一实施例的基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制系统框图。

图中各附图标记的含义如下：

610 牵引变流器；

611 整流模块；

612 中间回路；

613 逆变模块；

614 温度采集单元；

615 结温计算单元；

616 实时控制单元；

617 系统控制单元；

620 牵引变压器；

630 牵引电机；

640 冷却风机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

本发明一种基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法，特别是涉及列车的牵引变流器，能够很好的解决上述问题。

图1揭示了根据本发明一实施例的基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法流程图，如图1所示的基于IGBT器件运行实时结温的列车牵引控制方法，包括：

S1、实时采集IGBT器件下方散热器的温度参数和IGBT器件的电流参数；

S2、计算IGBT器件的实时运行结温；

S3、牵引变流器控制装置TCU根据IGBT器件运行实时结温，进行列车运行控制和冷却系统的优化。

IGBT器件是由IGBT芯片与FWD(Freewheeling diode，续流二极管)芯片通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)芯片，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR(大功率晶体管)的低导通压降两方面的优点。

图2揭示了根据本发明一实施例的IGBT器件的电路原理图，如图2所示的轨道交通用高压IGBT器件，内部有多个IGBT芯片和FWD二极管芯片并联组成。

IGBT作为牵引变流器的核心元件之一，结温Tj的高低，影响着IGBT的选型和设计，也影响着IGBT的可靠性和寿命，因此如果计算IGBT的结温是普遍关注的焦点。

结温为IGBT内部芯片在进行开关动作时产生损耗带来的温度上升的温度值。

图3揭示了根据本发明一实施例的IGBT器件的结温计算热等效电路图，如图3所示的IGBT器件的等效热阻模型，IGBT器件内部IGBT芯片的结温T

T

T

其中，R

R

R

Tf为IGBT器件正下方散热器的温度；

Tc为IGBT器件下方的壳温；

P

P

IGBT芯片损耗P

图4揭示了根据本发明一实施例的IGBT器件的损耗组成示意图，如图4所示，IGBT器件的总损耗包括IGBT芯片损耗P

IGBT器件作为开关器件，需要不断地在各种静态和动态间转换，并产生静态损耗和动态损耗，静态损耗和动态损耗之和为IGBT器件的总损耗。

IGBT芯片损耗P

FWD芯片损耗P

各个损耗的计算方式如下。

IGBT稳态损耗P

其中，I

V

D为占空比；

I

MR为调制深度；

θ为初相角；

x为相位角，由变流器内部设备采样，为牵引变压器的相位。

IGBT开关损耗P

其中，P

P

I

x为相位角，由变流器内部设备采样，为牵引变压器的相位；

f

FWD稳态损耗P

其中，I

I

MR为调制深度；

θ为初相角；

x为相位角，由变流器内部设备采样，为牵引变压器的相位；

V

FWD反向恢复损耗P

其中，I

I

I

x为相位角，由变流器内部设备采样，为牵引变压器的相位；

t

V

f

x为相位角，由变流器内部设备采样，为牵引变压器的相位。

R

图5揭示了根据本发明一实施例的温度传感器布置示意图，如图5所示，将温度传感器布置在IGBT器件下方散热器上，测量温度值Tf，通过在IGBT器件IGBT芯片和FWD芯片正下方布置温度检测装置，测量散热器台面温度Tf，发送至牵引变流器控制装置TCU进行IGBT内部运行结温的精确计算。

在本实施例中，散热器台面的温度检测装置为温度传感器，在其他实施例中，可以变更为NTC等其他检测温度的装置，TCU通过其他方式得到的IGBT器件下方散热器的温度计算IGBT结温，实现功率模块电压电流及开关频率的控制，达到列车控制和冷却风机的最优化，均在本专利的保护范围。

更进一步的，所述步骤S3中，列车的最优运行控制，是指列车牵引变流器控制装置可以根据实时测得的IGBT结温实现列车的最优控制，实现列车加速、减速和制动的最优，提升列车的舒适性，使列车运行更节能和环保。

所述步骤S3中，列车的最优运行控制，进一步包括：

根据牵引变流器整流模块的IGBT器件运行实时结温，牵引变流器控制装置发送驱动控制信号至牵引变流器整流模块，改变牵引变流器整流模块的开关频率和控制策略，优化网侧谐波。

根据牵引变流器逆变模块的IGBT器件运行实时结温，牵引变流器控制装置发送驱动控制信号至牵引变流器逆变模块，牵引变流器逆变模块输出VVVF(Variable Voltageand Variable Frequency，可变电压、可变频率)电压电流给牵引电机，实现列车加速、减速和制动的优化控制。

更进一步的，所述步骤S3中，冷却系统的优化，包括牵引变流器冷却风机最优控制和降噪。

所述步骤S3中，冷却系统的优化，进一步包括：

根据牵引变流器的IGBT器件运行实时结温，牵引变流器控制装置发送驱动控制信号至带有控制器的冷却风机，控制器根据驱动控制信号实现冷却风机的风压和风量调节控制。

通过测得的IGBT实时结温，实现牵引变流器冷却风机的风量风压调节控制，实现风机的最优节能。

图6揭示了根据本发明一实施例的基于IGBT器件结温的列车牵引控制系统框图，如图6所示，本发明提出的基于IGBT器件结温的列车牵引控制系统，包括温度检测装置和牵引变流器610。

牵引变流器610包括整流模块611、中间回路612、逆变模块613、温度采集单元614、结温计算单元615、实时控制单元616和系统控制单元617。

牵引变流器610，获取牵引变压器620的电流采样值，获取牵引电机630的电流电压采样值。

牵引变流器控制装置TCU，包括温度采集单元614、结温计算单元615、实时控制单元616和系统控制单元617。

温度检测装置，布置在整流模块611和逆变模块612的IGBT器件的下方散热器上，采集IGBT器件下方散热器的温度Tf并发送到温度采集单元614；

中间回路612，连接整流模块611和逆变模块613。

结温计算单元615，计算IGBT器件的实时运行结温；

实时控制单元616，根据IGBT器件的实时运行结温的计算结果，发送实时驱动控制信号，进行列车运行控制；

系统控制单元617，根据IGBT器件的实时运行结温的计算结果，发送实时驱动控制信号，进行冷却系统的优化。

在列车运行时，可以跟踪计算功率模块(整流模块611、逆变模块613)的IGBT器件的实时运行结温，改变牵引变流器的整流模块611和逆变模块613的开关频率、调制比等参数实现网侧和电机侧的最优控制。

功率模块，是指在大功率变流设备上进行DC-AC、AC-DC等变换的功率模块，主要由功率半导体器件、驱动装置、散热器、低感母排和电容等部件组成，在本实施例中，包括整流模块611和逆变模块613。

牵引变流器610通过电压、电流传感器进行电压电流的检测，进行整流模块611、逆变模块613的控制，控制中包含IGBT的开关频率、调制比，获取电压、电流、开关频率、调制比和散热器的台面温度，TCU中的结温计算模块就可以计算IGBT的实时结温。

实时控制单元616，根据整流模块611的IGBT器件的实时结温的计算结果，发送驱动控制信号至整流模块611，改变整流模块611的开关频率和控制策略，优化网侧谐波，进行列车运行控制。

在整流模块611的IGBT结温低时可提高开关频率降低网侧谐波。

实时控制单元616，根据逆变模块613的IGBT器件的实时结温的计算结果，发送驱动控制信号至逆变模块613，逆变模块613输出VVVF(Variable Voltage and VariableFrequency，可变电压、可变频率)电压电流至牵引电机630，实现列车加速、减速和制动的优化控制。

在逆变模块613的IGBT器件结温低时可调整开关频率、调制比等参数实现电机性能和效率的提升。

系统控制单元617，根据整流模块611和逆变模块613的IGBT器件的实时结温的计算结果，发送驱动控制信号至带有控制器的冷却风机640，控制器根据驱动控制信号，实现冷却风机640的风压和风量调节控制，进行冷却系统的优化。

牵引变流器610，根据IGBT结温信号，实现冷却风机640的风压和风量调节控制，降低风机功率和风机运行噪音，实现风机节能运行，提升列车的舒适性，使列车运行更节能和环保。

在牵引变流器610的IGBT器件的运行结温较低时，降低风机的功率和风压风量，从而降低风机运行的噪音和输出功率。

本发明提出的一种基于IGBT器件结温的列车牵引控制方法及系统，通过精准计算IGBT器件的实时运行结温，根据IGBT器件结温波动优化列车运行控制的加减速，实现列车线路运行的最优控制，充分发挥IGBT器件的电气特性，提高IGBT的应用可靠性，提升了从器件、牵引变流器和列车运行的精细化设计能力，同时牵引变流器根据IGBT运行实时结温实现冷却系统的最优控制，实现高效、绿色、节能和环保。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。