一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法及相关装置

技术领域

本申请涉及设备测试技术领域，尤其涉及一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法及相关装置。

背景技术

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)作为一种新型的宽禁带半导体器件与硅（Si）基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）相比，具有低开关损耗、高开关频率等优势，有助于提高系统的功率密度。然而受SiC材料生产工艺不成熟以及成本高昂的制约，目前SiCMOSFET难以在短期内实现大规模应用。为解决该问题，有研究提出由Si IGBT和SiC MOSFET并联组成的混合器件结构，通过控制器件的开关时序将Si IGBT载流能力大与SiC MOSFET开关损耗低的优点相结合，最终以较低的成本达到接近SiC MOSFET器件的性能。

混合器件中SiC MOSFET一般早于Si IGBT开通，并晚于Si IGBT关断，以确保SiIGBT零电压开通和关断，最大程度降低混合器件的损耗。然而，该开关时序会使SiC MOSFET承担主要的开关损耗，并受到SiC MOSFET本身高热阻的影响，导致其结温远超Si IGBT，在重载情况下容易超过最高结温限制。因此，在混合器件变流器运行时需要一个最高结温限制下的最大安全运行电流作为保护动作阈值或其他控制的判断条件，以避免器件热失效，提高变流器工作的可靠性。

按照传统方法，混合器件逆变器的最大安全运行电流一般在混合器件初始健康状态下通过实验测得，并且在逆变器之后的运行中当成固定值作为其他控制模块动作的依据。然而混合器件的热阻是随老化进程不断变化的，该变化会导致逆变器的最大安全运行电流同步发生改变。或者说，混合逆变器运行过程中的结温与热阻呈正相关关系，相比于初始健康状态，混合逆变器老化后期的最大安全运行电流会下降，而实验测得的固定值已经不再适用，从而难以保证混合逆变器后期运行的可靠性。

发明内容

本申请提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法及相关装置，用于解决现有实验所得固定电流值不适用于混合逆变器健康变化的全生命周期，导致混合逆变器的运行缺乏可靠性的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法，包括：

采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗；

根据初始负载电流和所述老化热阻抗计算所述目标混合逆变器中混合器件结温，所述混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温；

若所述混合器件结温未达到最高结温，则采用二分法更新所述初始负载电流，得到更新负载电流；

用所述更新负载电流替换所述初始负载电流，并返回所述根据初始负载电流和所述老化热阻抗计算所述目标混合逆变器中混合器件结温的步骤；

若所述混合器件结温达到所述最高结温，则判断所述老化热阻抗的模拟是否遍历结束，若否，则返回所述采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗的步骤，更新所述老化热阻抗，直至遍历结束，将当前更新负载电流作为最大安全运行电流。

优选地，所述根据初始负载电流和所述老化热阻抗计算所述目标混合逆变器中混合器件结温，所述混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温，包括：

根据初始负载电流和所述老化热阻抗计算所述目标混合逆变器中混合器件的器件损耗；

基于所述器件损耗计算所述目标混合逆变器中混合器件的结壳温差；

依据所述结壳温差和环境相关温度计算所述目标混合逆变器中混合器件结温，所述混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温。

优选地，所述若所述混合器件结温未达到最高结温，则采用二分法更新所述初始负载电流，得到更新负载电流，包括：

配置负载电流的取值范围；

若所述混合器件结温未达到最高结温，则在所述取值范围内采用二分法以取中间值的方式更新所述初始负载电流，得到更新负载电流。

优选地，所述若所述混合器件结温达到所述最高结温，则判断所述老化热阻抗的模拟是否遍历结束，若否，则返回所述采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗的步骤，更新所述老化热阻抗，直至遍历结束，将当前更新负载电流作为最大安全运行电流，之后还包括：

通过老化热阻抗模拟的方式获取所述目标混合逆变器全生命周期内的所述最大安全运行电流，并刻画出全生命周期安全工作区域图。

本申请第二方面提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试装置，包括：

老化模拟单元，用于采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗；

结温计算单元，用于根据初始负载电流和所述老化热阻抗计算所述目标混合逆变器中混合器件结温，所述混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温；

电流更新单元，用于若所述混合器件结温未达到最高结温，则采用二分法更新所述初始负载电流，得到更新负载电流；

迭代计算单元，用于用所述更新负载电流替换所述初始负载电流，并触发所述结温计算单元；

阻抗更新单元，用于若所述混合器件结温达到所述最高结温，则判断所述老化热阻抗的模拟是否遍历结束，若否，则触发所述老化模拟单元，更新所述老化热阻抗，直至遍历结束，将当前更新负载电流作为最大安全运行电流。

优选地，所述结温计算单元，具体用于：

根据初始负载电流和所述老化热阻抗计算所述目标混合逆变器中混合器件的器件损耗；

基于所述器件损耗计算所述目标混合逆变器中混合器件的结壳温差；

依据所述结壳温差和环境相关温度计算所述目标混合逆变器中混合器件结温，所述混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温。

优选地，所述电流更新单元，具体用于：

配置负载电流的取值范围；

若所述混合器件结温未达到最高结温，则在所述取值范围内采用二分法以取中间值的方式更新所述初始负载电流，得到更新负载电流。

优选地，还包括：

安全工作区域刻画单元，用于通过老化热阻抗模拟的方式获取所述目标混合逆变器全生命周期内的所述最大安全运行电流，并刻画出全生命周期安全工作区域图。

本申请第三方面提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试设备，所述设备包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的混合逆变器的最大安全运行电流测试方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的混合逆变器的最大安全运行电流测试方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法，包括：采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗；根据初始负载电流和老化热阻抗计算目标混合逆变器中混合器件结温，混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温；若混合器件结温未达到最高结温，则采用二分法更新初始负载电流，得到更新负载电流；用更新负载电流替换初始负载电流，并返回根据初始负载电流和老化热阻抗计算目标混合逆变器中混合器件结温的步骤；若混合器件结温达到最高结温，则判断老化热阻抗的模拟是否遍历结束，若否，则返回采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗的步骤，更新老化热阻抗，直至遍历结束，将当前更新负载电流作为最大安全运行电流。

本申请提供的混合逆变器的最大安全运行电流测试方法，通过预设Foster热阻抗等效模型可以模拟混合逆变器全生命周期的老化热阻抗，在不同的老化程度下，基于不同的更新负载电流计算混合器件结温，以最高结温为边界找到不同老化程度下的最大安全运行电流，确保得到的电流值适用于混合逆变器的全生命周期，从而保证其运行可靠性。因此，本申请能够解决现有实验所得固定电流值不适用于混合逆变器健康变化的全生命周期，导致混合逆变器的运行缺乏可靠性的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种混合逆变器的最大安全运行电流测试装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的混合器件热阻抗网络模型结构示意图；

图4为本申请应用例提供的初始健康状态下逆变器工作电流32.2A时混合器件的结温变化示意图；

图5为本申请应用例提供的老化60%状态下逆变器工作电流32.2A时混合器件的结温变化示意图；

图6为本申请应用例提供的基于本申请方法刻画的混合逆变器全生命周期安全工作区域示意图；

图7为本申请应用例提供的基于本申请方法刻画的混合逆变器全生命周期安全工作区域二维示意图；

图8为本申请应用例提供的基于本申请方法中非健康状态下的逆变器工作在b点时的混合器件结温示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种混合逆变器的最大安全运行电流测试方法的实施例，包括：

步骤101、采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗。

需要说明的是，本实施例通过不断改变热阻抗值模拟混合逆变器的不同老化状态。通常定义热阻抗值增大50%为器件失效标准，与器件实际失效情况较为相符。因此，本实施例以SiC MOSFET和Si IGBT的结壳热阻抗增量从0增加至50%对混合器件的全寿命周期进行完整覆盖测试，并结合混合器件的损耗模型进行结温计算，以SiC MOSFET和Si IGBT其中之一率先达到结温最大限值150℃时的测试电流作为最大安全运行电流。

预设Foster热阻抗等效模型可以等效出SiC MOSFET和Si IGBT的结壳热阻抗，即本实施例中的老化热阻抗，具体表达为：

；

；

其中，

步骤102、根据初始负载电流和老化热阻抗计算目标混合逆变器中混合器件结温，混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温。

进一步地，步骤102，包括：

根据初始负载电流和老化热阻抗计算目标混合逆变器中混合器件的器件损耗；

基于器件损耗计算目标混合逆变器中混合器件的结壳温差；

依据结壳温差和环境相关温度计算目标混合逆变器中混合器件结温，混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温。

需要说明的是，请参阅图3，混合器件结温是实时计算的，本实施例设置逆变器的初始负载电流为

；

；

其中，

本实施例的环境相关温度包括环境温度

；

；

其中，

步骤103、若混合器件结温未达到最高结温，则采用二分法更新初始负载电流，得到更新负载电流。

进一步地，步骤103，包括：

配置负载电流的取值范围；

若混合器件结温未达到最高结温，则在取值范围内采用二分法以取中间值的方式更新初始负载电流，得到更新负载电流。

步骤104、用更新负载电流替换初始负载电流，并返回步骤102。

本实施例的负载电流取值范围设定为

步骤105、若混合器件结温达到最高结温，则判断老化热阻抗的模拟是否遍历结束，若否，则返回步骤101，更新老化热阻抗，直至遍历结束，将当前更新负载电流作为最大安全运行电流。

混合器件结温中的最大值

进一步地，步骤105，之后还包括：

通过老化热阻抗模拟的方式获取目标混合逆变器全生命周期内的最大安全运行电流，并刻画出全生命周期安全工作区域图。

通过预设Foster热阻抗等效模型不断更新老化热阻抗来模拟混合逆变器全生命周期的老化状态，不断寻找逆变器的最大安全运行电流，待到遍历结束，就可以根据获取的最大安全运行电流数据刻画出混合逆变器的全生命周期安全工作区域图。

为了便于理解，本实施例提供了仿真应用例，采用的单相逆变器器件的选型为1200V/25A的Si IGBT（IGW25N120H3）与1200V/12.5A的SiC MOSFET（C2M0160120D）。请参阅图4和图5，传统方法在混合器件初始健康状态下，通过实验测得逆变器的最大安全运行电流为32.2A，并且认为该电流在器件全寿命周期内保持不变。分别在混合器件初始健康和老化60%状态下，测量逆变器工作在32.2A电流下各器件的结温。分析可以发现，同样在负载电流32.2A的条件下，健康状态下SiC MOSFET的结温接近150℃，而老化后期的SiC MOSFET的结温已经超过150℃限制结温，存在热失效风险。结果表明，传统方法得到的逆变器最大安全运行电流仅在混合器件健康状态下具备参考意义，若在器件老化后期仍然采用该电流指导逆变器的运行，将有极大可能导致器件过热，降低逆变器运行的可靠性。

本实施例得到的混合逆变器全生命周期安全工作区域图请参阅图6，可以看出逆变器所能承受的最大负载电流随着SiC MOSFET老化程度的增加而减小，而受Si IGBT老化程度的影响较小。为分析SiC MOSFET老化程度对安全工作区的影响，将Si IGBT的热阻设为固定值，对逆变器的三维安全工作区进行二维映射。这里固定Si IGBT的热阻标准化值

由于器件全寿命周期内其热阻抗增长速率会出现明显拐点：热阻增量0~0.5%为线性增长阶段，此时器件处于健康状态；增量0.5%~50%为加速老化阶段，该区间内器件处于非健康状态。因此，以热阻增加0.5%为拐点对安全工作区进行切分，其结果请参阅图7。其中虚线下方表示器件处于健康状态，此时逆变器的最大安全运行电流为32.3A与传统方法得到的结果相同；红线上方器件处于非健康状态，逆变器的安全工作区不断收缩，其最大安全运行电流最终到30A以下。分别选取健康和非健康状态下的工作点a和b，来验证采用本实施例方法刻画出的覆盖混合器件全寿命周期的安全工作区的实际效果。

因为a工作点的电流大小与传统方法下的相同，所以逆变器工作在a点时混合器件结温和图4相同。而在混合器件非健康状态下，逆变器工作在安全工作区边界b点（30.5A）时，混合器件结温请参阅图8。此时SiC MOSFET的结温接近150℃，表明b点对应的负载电流即为混合器件非健康状态下逆变器的最大安全运行电流。经过验证发现，本实施例的方法刻画的混合逆变器全生命周期安全工作区域能够在混合器件不同老化程度下准确描述逆变器的最大安全运行电流，在混合器件全寿命周期内保障逆变器运行的可靠性。

本申请实施例提供的混合逆变器的最大安全运行电流测试方法，通过预设Foster热阻抗等效模型可以模拟混合逆变器全生命周期的老化热阻抗，在不同的老化程度下，基于不同的更新负载电流计算混合器件结温，以最高结温为边界找到不同老化程度下的最大安全运行电流，确保得到的电流值适用于混合逆变器的全生命周期，从而保证其运行可靠性。因此，本申请实施例能够解决现有实验所得固定电流值不适用于混合逆变器健康变化的全生命周期，导致混合逆变器的运行缺乏可靠性的技术问题。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试装置的实施例，包括：

老化模拟单元201，用于采用预设Foster热阻抗等效模型模拟目标混合逆变器的老化热阻抗；

结温计算单元202，用于根据初始负载电流和老化热阻抗计算目标混合逆变器中混合器件结温，混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温；

电流更新单元203，用于若混合器件结温未达到最高结温，则采用二分法更新初始负载电流，得到更新负载电流；

迭代计算单元204，用于用更新负载电流替换初始负载电流，并触发结温计算单元；

阻抗更新单元205，用于若混合器件结温达到最高结温，则判断老化热阻抗的模拟是否遍历结束，若否，则触发老化模拟单元，更新老化热阻抗，直至遍历结束，将当前更新负载电流作为最大安全运行电流。

进一步地，结温计算单元202，具体用于：

根据初始负载电流和老化热阻抗计算目标混合逆变器中混合器件的器件损耗；

基于器件损耗计算目标混合逆变器中混合器件的结壳温差；

依据结壳温差和环境相关温度计算目标混合逆变器中混合器件结温，混合器件结温包括MOSFET结温和IGBT结温。

进一步地，电流更新单元203，具体用于：

配置负载电流的取值范围；

若混合器件结温未达到最高结温，则在取值范围内采用二分法以取中间值的方式更新初始负载电流，得到更新负载电流。

进一步地，还包括：

安全工作区域刻画单元206，用于通过老化热阻抗模拟的方式获取目标混合逆变器全生命周期内的最大安全运行电流，并刻画出全生命周期安全工作区域图。

本申请还提供了一种混合逆变器的最大安全运行电流测试设备，设备包括处理器以及存储器；

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例中的混合逆变器的最大安全运行电流测试方法。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例中的混合逆变器的最大安全运行电流测试方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM）、随机存取存储器（英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。