IGBT模块结温预测方法、系统、终端设备及存储介质

技术领域

本公开一般涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种IGBT模块结温预测方法、系统、终端设备及存储介质。

背景技术

绝缘栅极晶体管(IGBT)模块广泛应用于轨道交通、智能电网、电动汽车与新能源等各个领域。IGBT模块的结温是功率变流器能否可靠稳定运行的一项很重要的特征参数，结温的波动情况将直接影响到功率变流器的工作性能和可靠性，长期的结温波动会造成器件的老化乃至失效。因此，对IGBT模块结温的估算对电力电子系统安全运行及健康管理具有重要的意义。

目前，一般根据电机的转矩和转速状态得到逆变器输出的各相电流值，进而计算IGBT模块的损耗来估算结温，在工程上，很多时候前期输入只有整车的工况，而并没有IGBT模块中电流或电机的转速和转矩等数据，因此，从整车工况输入来进行IGBT模块的结温估算具有重要的实践意义。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种IGBT模块结温预测方法、系统、终端设备及存储介质。

第一方面，提供一种IGBT模块结温预测方法，包括：

基于整车工况参数确定流经IGBT模块中芯片的电流I

构建IGBT模块损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

构建Cauer热网络模型，将所述IGBT模块的损耗输入所述Cauer热网络模型，得到IGBT模块的当前结温；

将所述IGBT模块的当前结温反馈输入所述IGBT模块损耗模型，实现所述IGBT模块的结温预测。

第二方面，提供一种IGBT模块结温预测系统，包括：

电流确定模块，用于基于整车工况参数确定流经IGBT模块中芯片的电流I

损耗确定模块，用于构建IGBT模块损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

网络模型构建模块，用于构建Cauer热网络模型，将所述IGBT模块的损耗输入所述Cauer热网络模型，得到IGBT模块的当前结温；

结温预测模块，用于将所述IGBT模块的当前结温反馈输入所述IGBT模块损耗模型，实现所述IGBT模块的结温预测。

第三方面，提供一种终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如本申请各实施例所提供的IGBT模块结温预测方法。

第四方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行如本申请各实施例所提供IGBT模块结温预测方法。

根据本申请实施例提供的技术方案，基于整车的典型工况或者实时工况进行的IGBT模块结温的实时预测，预测结果更加符合实际情况，且采用能反映IGBT模块实际的物理结构的Cauer热网络模型进行IGBT模块的结温预测，Cauer热网络模型的热容、热阻值具有实际物理意义，在实时计算过程中可得到IGBT模块每一层材料的温度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有对IGBT模块结温估算方法的示例性流程图；

图2为图1中的4阶Foster热网络模型结构图；

图3为本申请实施例提供的IGBT模块结温预测方法的示例性流程图；

图4为本申请实施例提供的IGBT模块结温预测方法的具体流程图；

图5为本申请实施例提供的IGBT模块的液冷传热路径图；

图6为本申请实施例提供的IGBT模块的Cauer热网络模型图；

图7为本申请实施例提供的IGBT结温预测的仿真模型图；

图8为本申请实施例提供的一种终端设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

IGBT模块包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及反并联续流二极管(FWD)，对IGBT模块结温的估算包括对IGBT芯片和FWD芯片两者结温的估算，其中，结温指芯片本体的实际温度。

如图1所示，现有对IGBT模块结温方法为：先利用IGBT模块中电流或电机的转速和转矩等数据对流经芯片的电流值进行估算，再根据得到的电流值计算IGBT模块的损耗，然后依据IGBT手册中给出的热阻抗值来建立4阶局部(Foster)热网络模型(如图2所示)。而在工程上，往往直接获取的是整车的工况参数信息，而无法直接获取电流或电机的转速和转矩等数据。且现有的4阶Foster热网络模型中的热阻和热容值只是通过数学拟合方法得到的数值，并不具有实际物理意义，并不能通过Foster热网络模型估算得到IGBT模块传热路径上各节点的温度值。

为解决上述技术问题，请参考图3所示的IGBT模块结温预测方法的示例性流程图，本发明提供的IGBT模块结温预测方法包括：

S10：基于整车工况参数确定流经IGBT模块中芯片的电流I

S20：构建IGBT模块损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

S30：构建Cauer热网络模型，将所述IGBT模块的损耗输入所述Cauer热网络模型，得到IGBT模块的当前结温；

S40：将所述IGBT模块的当前结温反馈输入所述IGBT模块损耗模型，实现所述IGBT模块的结温预测。

具体的，本申请从整车工况输入来进行IGBT模块的结温预测，整车工况参数容易直接获取，方便进行IGBT模块的结温预测。且采用Cauer热网络模型进行IGBT模块的结温预测，Cauer热网络模型能反映IGBT模块实际的物理结构，Cauer热网络模型的热容、热阻值具有实际物理意义，在实时计算过程中可得到IGBT模块每一层材料的温度。本申请运用仿真估算可以快速得到IGBT模块在某工况下运行的结温，通过判断结温是否满足预期的设计，可调整散热系统的参数，包括进水口温度和流量，结合三维仿真计算，有助于进行水道的优化设计及促进IGBT模块性能的改进。

在一个实施例中，步骤S10中，所述整车工况采用整车典型工况NEDC、WLTC，或者采用整车实时工况。

具体的，如图4所示，整车工况的输入可选取典型工况，如新标欧洲测试循环(NEDC)、全球轻型汽车测试循环(WLTC)等工况进行，也可以采集实际过程的工况数据进行仿真。本申请对IGBT模块的结温预测是基于整车的典型工况或者实时工况进行的，更具有系统仿真的意义，便于结合不同的实际工况来预测IGBT模块的动态结温。

在一个实施例中，步骤S10具体包括：

S101：基于整车工况参数计算驱动力F

S102：根据所述驱动力F

S103：根据所述电机转矩T

在一个实施例中，步骤S101具体包括：

S1011：基于整车工况参数分别计算滚动阻力F

1)滚动阻力F

F

其中，f为滚动阻力系数，m为整车质量，g为重力加速度。

2)空气阻力F

F

其中，C

3)加速阻力F

其中，δ为汽车旋转质量换算系数，

4)坡度阻力F

F

其中，α为坡度角，g为重力加速度。

S1012：根据所述滚动阻力F

F

在一个实施例中，步骤S102中，根据所述驱动力F

其中，r

在一个实施例中，步骤S103中，根据所述电机转矩T

其中，k

具体的，如图7所示的单个IGBT芯片的结温预测仿真模型，输入工况以NEDC工况为例，可支持任意工况输入。采用Simulink建模完成，其中部分逻辑进行了封装，可支持转换为单片机可识别的代码。如图4、图7所示，基于整车工况参数(车速u、滚动阻力系数f、整车质量m、空气的阻力系数C

具体的，步骤S20中，构建IGBT模块损耗模型包括IGBT芯片损耗模型和FWD芯片损耗模型，IGBT芯片损耗的计算方法与FWD芯片损耗的计算方法类似，本申请以IGBT芯片损耗的计算为例进行示例性说明，其中，芯片的热损耗指芯片的发热功率。

在一个实施例中，步骤S20中，所述构建IGBT模块损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

构建IGBT芯片的导通损耗模型和开关损耗模型；

将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

根据所述导通损耗和所述开关损耗得到IGBT模块总损耗P

具体的，由于IGBT的开关频率很高，每一个开关周期的开通时间很小，而感性负载的时间常数远远大于功率模块的开关周期，因此可以认为在每一个开关周期的开通时间内，负载电流恒定不变。则IGBT芯片在第k个开关周期的平均通态损耗可表示为：

其中，U

U

其中，U

则IGBT芯片在第k个开关周期的平均通态损耗P

IGBT芯片的开关损耗P

其中，f

所述根据所述导通损耗和所述开关损耗得到所述IGBT模块的损耗，具体为将所述导通损耗和所述开关损耗输入以下公式计算：

P

其中，P

在仿真过程中，采用积分运算器求解，设置的仿真时间步长为T

需要说明的是，FWD芯片总损耗也分为导通损耗和开关损耗，具体计算过程与IGBT芯片总损耗的计算方法类似，本申请不再一一赘述。本申请根据流经IGBT模块中芯片的电流I

具体的，图5示出了本申请实施例提供的一种IGBT模块液冷传热路径图，由图5可知，IGBT模块包括由上而下依次设置的IGBT芯片或者FWD芯片、焊接层1、上铜层、陶瓷板、下铜层、焊接层2、铜基板、导热硅脂层和散热器层。Cauer热网络模型中的每一层RC结构等效于IGBT模块中的每一层材料。Cauer热网络模型可进一步等效，如将上铜层、陶瓷板和下铜层整体等效为DBC(direct bond copper，直接覆铜，是IGBT芯片的衬底材料)层；也可将散热器进一步等效为壳体层和流体层。

其中，IGBT芯片或者FWD芯片的结温T

采用液冷方式的IGBT模块中，根据进水口温度T

在一个实施例中，步骤S30中，先计算Cauer热网络模型中每一层材料的热容C

具体的，Cauer热网络模型中每一层材料的热容C

C

其中，d为物体垂直传热路径方向的厚度，A为传热的接触面积，m

Cauer热网络模型中每一层材料的热阻R

①根据IGBT模块散热的三维几何模型划分网格，形成离散化网格模型；

②设置离散化网格模型的材料属性，并设置冷源温度(即散热器的温度T

③监控并提取IGBT模块中各部件的上、下表面平均温度T

④根据监控得到的物体上、下表面的平均温度以及流经该物体的热流率，利用仿真软件ANSYS Fluent运行求解器计算Cauer热网络模型中每一层材料的热阻R

其中，T

本申请要保证芯片焊接和封装工艺良好的情况下，建立的热阻网络模型忽略材料之间的接触热阻。由于所研究对象IGBT模块的导热系数很大，毕渥数Bi≤0.1，忽略单一物体的局部温差，采用集中参数法建立Cauer热网络模型。其中，毕渥数Bi是指固体内部单位导热面积上的导热热阻与单位表面积上的换热热阻之比。

在一个实施例中，步骤S30中，所述将所述IGBT模块的损耗输入所述Cauer热网络模型，得到IGBT模块的结温具体包括：

根据所述Cauer热网络模型中每一层材料的热阻R

根据所述散热器到IGBT芯片的热阻R

T

取所有IGBT芯片的结温的最大值作为IGBT模块的结温。

具体的，对于芯片的传热路径，已知芯片的总损耗和传热路径的热阻，可以得到芯片的结温。本实施例根据单个IGBT芯片的损耗计算对应的单个IGBT芯片的结温，其他IGBT芯片的结温预测方法与此相同，续流二极管芯片的结温计算方法类似。一般地，IGBT芯片的结温比续流二极管芯片高，故取所有IGBT芯片的结温最大值作为IGBT模块的结温。

在一个实施例中，所述方法还包括：

根据所述Cauer热网络模型中每一层材料的热阻R

根据所述散热器到第i层材料的热阻R

T

其中，p

具体的，在实时计算过程中可得到IGBT模块每一层材料的温度T

在一个实施例中，步骤S40中，所述将所述IGBT模块的当前结温反馈输入所述IGBT模块损耗模型，实现所述IGBT模块的结温预测具体包括：

令所述IGBT芯片的结温T

将所述新的IGBT芯片总损耗输入所述Cauer热网络模型，得到IGBT芯片在第k+1个开关周期内的结温T

具体的，如图4所示，先得到k时刻的IGBT芯片的结温，用k时刻的IGBT芯片的结温更新IGBT芯片总损耗计算过程与结温有关的参数，如IGBT在25℃时的额定导通电压U

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。

第二方面，提供一种IGBT模块结温预测系统，包括：

电流确定模块，用于基于整车工况参数确定流经IGBT模块中芯片的电流I

损耗确定模块，用于构建IGBT模块损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

网络模型构建模块，用于构建Cauer热网络模型，将所述IGBT模块的损耗输入所述Cauer热网络模型，得到IGBT模块的结温；

结温预测模块，用于将所述IGBT模块的当前结温反馈输入所述IGBT模块损耗模型，实现所述IGBT模块的结温预测。

在一个实施例中，所述电流确定模块包括驱动力单元和电流单元；其中，驱动力单元，用于基于整车工况参数计算驱动力F

电流单元，用于根据所述驱动力F

具体的，驱动力F

在一个实施例中，所述损耗确定模块包括导通损耗单元、开关损耗单元和总损耗单元；其中，

导通损耗单元，用于构建IGBT芯片的导通损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

开关损耗单元，用于构建IGBT芯片的开关损耗模型，将所述流经IGBT模块中芯片的电流I

总损耗单元，用于根据所述导通损耗和所述开关损耗得到IGBT模块总损耗P

具体的，损耗确定模块用于确定IGBT芯片总损耗，在IGBT芯片总损耗确定的过程中，导通损耗单元用于计算IGBT芯片的导通损耗P

在一个实施例中，所述网络模型构建模型具体用于根据Cauer热网络模型中的每一层材料的热容C

具体的，每一层材料的热容C

在一个实施例中，所述结温预测模块还用于根据进水口温度T

在一个实施例中，所述结温预测模块还用于：

根据所述Cauer热网络模型中每一层材料的热阻R

根据所述散热器到IGBT芯片的热阻R

取所有IGBT芯片的结温的最大值作为IGBT模块的结温。

在一个实施例中，所述结温预测模块还用于：

根据Cauer热网络模型中每一层材料的热阻R

以及用于根据所述散热器到第i层材料的热阻R

第三方面，如图8所示，本申请还提供了一种终端设备400，包括一个或多个中央处理单元(CPU)401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器(RAM)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 403中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。

以下部件连接至I/O接口405：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考图3-4描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，计算机程序包含用于执行IGBT模块结温预测方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分409从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中所述装置中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本申请的IGBT模块结温预测方法。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这根据所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以通过执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，例如，各所述单元可以是设置在计算机或移动智能设备中的软件程序，也可以是单独配置的硬件装置。其中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。