技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子关键器件可靠性技术领域，尤其涉及一种IGBT模块结温在线估计电路系统及方法。
背景技术
[0002] 目前，以IGBT模块为核心的电力电子装置广泛应用于
电机控制、电动
汽车、新
能源、智能
电网等领域，在实际运行中，器件长期承受的复杂的功率、
温度循环可能导致巨大的结温以及结温
波动。由于
半导体器件中各层材料
热膨胀系数不一致，结温的波动引起各层膨胀程度不同，使得各层之间产生热
应力，导致
焊料层疲劳老化或键合线脱落，从而造成器件电、热参数等外特性变化，最终导致器件老化失效。因此，对IGBT进行结温估计十分重要。精确的结温估计在IGBT模块结温控制、健康管理以及可靠性中具有重要的意义。
[0003] 结温的测量已有很多方法，直接测量主要采用的是红外测温仪和光导
纤维，但对于封装好的模块并不适用；采用集成
传感器在设计和
制造过程中需要特别考虑，并且需要额外的外部引脚，可能会增加制造成本并带来新的可靠性问题；RC等效热模型也为结温估算提供了一种简单有效的方法，但该方法的准确度和
精度依赖于模型的准确度和模型参数精确度，并且没有考虑热路径的退化即焊料层的疲劳累积效应。而温敏电参数法测结温具有响应速度快、测量原理简单和不需要破坏结构的优点而被广泛应用。但由于温敏电气参数对结温的灵敏度较低，测量具有一定误差，并且受电力电子装备负载条件影响，因此直接利用温敏电气参数估计结温具有一定难度。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对
现有技术中的
缺陷，提供一种IGBT模块结温在线估计电路系统及方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 本发明提供一种IGBT模块结温在线估计电路系统，用于在线测量IGBT 功率模块的结温数据，该电路系统包括：功率变换器、通态压降VCE(ON)在线测量电路、功率损耗计算模块、结温查找表模块、计及焊料层疲劳累积效应热网络模块、自适应卡尔曼滤波模块；其中：
[0007] 功率变换器，其核心器件为IGBT功率模块，用于获取负载
电流IL；
[0008] 通态压降VCE(ON)在线测量电路，用于在线测量IGBT通态压降VCE(ON)；
[0009] 功率损耗计算模块，用于根据负载电流IL和IGBT通态压降VCE(ON)，计算IGBT功率模块中IGBT和
二极管的功率损耗；
[0010] 结温温度查表模块，用于建立结温Tj的查找表，通过测量获取不同负载电流IL下的通态压降VCE(ON)和结温Tj，并选取一定数量的点进行拟合，得到结温Tj与负载电流IL、通态压降VCE(ON)之间的关系；
[0011] 计及焊料层疲劳累积效应热网络模块，用于建立IGBT等效热网络模型，并根据IGBT等效热网络模型以及结温Tj和IGBT、二极管功率损耗为状态变量，建立
状态空间模型；采用计及焊料层疲劳累积效应热网络更新策略，阶段性适时更新IGBT等效热网络模型，进而实现对状态空间模型的更新；
[0012] 自适应卡尔曼滤波模块，用于根据状态空间模型设计自适应卡尔曼滤波
算法程序获得IGBT结温Tj估计值
[0013] 进一步地，本发明的通态压降VCE(ON)在线测量电路包括分压
电阻器R1、分压
电阻器R2、分压电阻器R3、分压电阻器R4、
运算放大器U1、反馈电阻 R5、ESD二极管、下降沿检测器、单稳态多谐
振荡器、电容器、
运算放大器 U2、
模数转换器ADC；其中：
[0014] 分压电阻器R1、分压电阻器R2、分压电阻器R3、分压电阻器R4起分压的作用，将通态压降VCE(ON)降至运算放大器U1所允许的输入
电压的范围；
[0015] 运算放大器U1是
差分放大器，当IGBT器件处于关断状态时，通态压降 VCE(ON)不需要测量，运算放大器U1输出饱和，Vout＝VH_U1，其中Vout为运放 U1的输出，VH_U1为运算放大器U1的饱和电压；当IGBT处于导通状态时，运算放大器U1从饱和状态恢复到VCE(ON)值，即Vout＝VCE(ON)；
[0016] 反馈电阻R5用于限制运算放大器U1的放大倍数，稳定工作点；
[0017] ESD二极管用于保护运算放大器U1的输入，抵抗高压尖峰；
[0018] 并联于分压电阻器的电容器用于改善
分压器的
频率响应；
[0019] 下降沿探测器用于比较运算放大器U1的输出和一个预定义的电压，以检测VCE的下降沿，并触发单稳态多谐振荡器以启用
采样电路，延迟时间能通过调节多振子元器件的值来调整，以为VCE提供足够的稳定时间；
[0020] 运算放大器U2为隔离放大器，用于实现电容隔离，并使用高频
信号调制；
[0021] 电容器用于隔离所述运算放大U2的高频信号；
[0022] 模数转换器用于在测量端测量通态压降VCE(ON)。
[0023] 本发明提供一种IGBT模块结温在线估计方法，该方法包括以下步骤：
[0024] 步骤1、采用IGBT模块结温在线估计电路系统测量IGBT功率模块的 IGBT通态压降VCE(ON)，并建立IGBT结温Tj查找表；
[0025] 步骤2、计算IGBT功率模块中IGBT和二极管的功率损耗；
[0026] 步骤3、建立IGBT等效热网络模型，并采用计及焊料层疲劳累积效应热网络更新策略，阶段性适时更新IGBT等效热网络模型；
[0027] 步骤4、根据IGBT等效热网络模型以步骤1中结温Tj和步骤2中IGBT、二极管功率损耗为状态变量建立状态空间模型，并按步骤3更新IGBT等效热网络模型，进而更新状态空间模型；
[0028] 步骤5、根据步骤4中的状态空间模型设计自适应卡尔曼滤波算法程序获得IGBT结温Tj估计值
[0029] 进一步地，本发明的步骤1中在线测量IGBT通态压降VCE(ON)的具体方法如下：
[0030] 分压电阻器R1、分压电阻器R2、分压电阻器R3、分压电阻器R4起分压的作用，将通态压降VCE(ON)降至运算放大器U1所允许的输入电压的范围；
[0031] 运算放大器U1是差分放大器，当IGBT器件处于关断状态时，通态压降 VCE(ON)不需要测量，运算放大器U1输出饱和，Vout＝VH_U1，其中Vout为运放 U1的输出，VH_U1为运算放大器U1的饱和电压；当IGBT处于导通状态时，运算放大器U1从饱和状态恢复到VCE(ON)值，即Vout＝VCE(ON)；
[0032] 反馈电阻R5用于限制运算放大器U1的放大倍数，稳定工作点；
[0033] ESD二极管用于保护运算放大器U1的输入，抵抗高压尖峰；
[0034] 并联于分压电阻器的电容器用于改善分压器的频率响应；
[0035] 下降沿探测器用于比较运算放大器U1的输出和一个预定义的电压，以检测VCE的下降沿，并触发单稳态多谐振荡器以启用采样电路，延迟时间能通过调节多振子元器件的值来调整，以为VCE提供足够的稳定时间；
[0036] 运算放大器U2为隔离放大器，用于实现电容隔离，并使用高频信号调制；
[0037] 电容器用于隔离所述运算放大U2的高频信号；
[0038] 模数转换器用于在测量端测量通态压降VCE(ON)。
[0039] 进一步地，本发明的步骤1中建立IGBT结温Tj查找表的具体方法如下：
[0040] 通过所测通态压降VCE(ON)和负载电流IL建立IGBT结温Tj的查找表，通过测量获取不同负载电流IL下的通态压降VCE(ON)和结温Tj，并选取一定数量的点应用Matlab
软件进行拟合，得到Tj＝(VCE(ON),IL)。
[0041] 进一步地，本发明的步骤2中计算IGBT功率模块IGBT和二极管的功率损耗的方法为：
[0042] 根据通态压降、负载电流、占空比、IGBT数据手册
开关损耗曲线计算IGBT 和二极管功率损耗。
[0043] 进一步地，本发明的步骤3中计及焊料层疲劳累积效应的热网络更新策略为：
[0044] 建立四阶IGBT热网络模型，采用阶段性适时更新热网络方式，选取热阻增大10％作为热网络更新系数，以热阻增大50％作为器件完全失效判据，将模块老化过程离散为Rth、1.1×Rth、1.2×Rth、1.3×Rth、1.4×Rth五个阶段。
[0045] 进一步地，本发明的步骤4中状态空间模型的建立方法如下：
[0046] 步骤41、自热建模：根据IGBT热网络模型，选择选择IGBT和二极管功率损耗以及结温作为状态变量，列写状态空间方程：
[0047]
状态方程： 输出方程：Tj(t)＝Cx(t)+Du(t)
[0048]
[0049] C＝[1 1 1… 1]；D＝[0 1]；u(t)＝[PD(t),Ta]
[0050] 其中，An×n为系统矩阵，Bn×2为输入矩阵,Cl×n为输出矩阵，D1×2为前馈矩阵，状态向量 表示RC单元间的温差，u(t)为系统输入向量，其中PD(t)为功率损耗，Ta为
环境温度；
[0051] 步骤42、考虑二极管交叉耦合效应：将自
热阻抗的n阶状态空间模型与交叉耦合阻抗的m阶模型相结合，构造出同时表示两种阻抗的扩展模型，得到完整的IGBT结温状态空间模型：
[0052]
[0053]
[0054] 其中，xs1,…,xsn为自热阻抗状态，ps1,…,psn和ks1,…,ksn分别为自热阻抗的极点和留数，类似地，xc1,…,xcm为交叉耦合阻抗的状态，pc1,…,pcm和kc1,…,kcm分别为自热阻抗的极点和留数，Tj为IGBT结温，Ta为环境温度，PIGBT和PD分别为IGBT和二极管的功率损耗；
[0055] 步骤43、模型参数辨识：利用仿真软件中拟合工具箱拟合器件的瞬态热阻抗曲线求解参数值得
健康状态下的模型参数，再根据步骤3更新步骤42状态空间模型中对应参数。
[0056] 进一步地，本发明的步骤43中采用的仿真软件为MATLAB或者Saber。
[0057] 进一步地，本发明的步骤5中建立自适应卡尔曼
滤波器系统，利用步骤1 中IGBT结温Tj、步骤3中IGBT和二极管功率损耗为滤波器输入，计算得到结温Tj估计值
[0058] 本发明产生的有益效果是：本发明的IGBT模块结温在线估计电路系统及方法，(1)通态压降VCE(ON)的测量是在大电流条件下，基于模块外部测量，不需要破坏模块完整性，不需要
修改栅极驱动电路或干扰IGBT的正常开关周期；(2)计及焊料层疲劳累积效应，提出自适应热模型来量化热阻的变化，并相应地更新模型参数，使得结温Tj估计精度高；(3)在结温Tj的测量中引入卡尔曼滤波器来提高测量精度，消除噪声和干扰，对结温Tj进行最优估计，具有预测速度快、准确性高等优点。
附图说明
[0059] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0060] 图1为本发明实施例的IGBT模块结温在线估计方法的
流程图；
[0061] 图2为本发明实施例的IGBT通态VCE(ON)的测量电路；
[0062] 图3为本发明实施例的Foster热网络等效电路。
具体实施方式
[0063] 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本发明，并不用于限定本发明。
[0064] 如图1所示，本发明实施例的IGBT模块结温在线估计电路系统，用于在线测量IGBT功率模块的结温数据，该电路系统包括：功率变换器、通态压降 VCE(ON)在线测量电路、功率损耗计算模块、结温查找表模块、计及焊料层疲劳累积效应热网络模块、自适应卡尔曼滤波模块；其中：
[0065] 功率变换器，其核心器件为IGBT功率模块，用于获取负载电流IL；
[0066] 通态压降VCE(ON)在线测量电路，用于在线测量IGBT通态压降VCE(ON)；
[0067] 功率损耗计算模块，用于根据负载电流IL和IGBT通态压降VCE(ON)，计算IGBT功率模块中IGBT和二极管的功率损耗；
[0068] 结温查找表模块，用于建立结温Tj的查找表，通过测量获取不同负载电流IL下的通态压降VCE(ON)和结温Tj，并选取一定数量的点进行拟合，得到结温Tj与负载电流IL、通态压降VCE(ON)之间的关系；
[0069] 计及焊料层疲劳累积效应热网络模块，用于建立IGBT等效热网络模型，并根据IGBT等效热网络模型以及结温Tj和IGBT、二极管功率损耗为状态变量，建立状态空间模型；采用计及焊料层疲劳累积效应热网络更新策略，阶段性适时更新IGBT等效热网络模型，进而实现对状态空间模型的更新；
[0070] 自适应卡尔曼滤波模块，用于根据状态空间模型设计自适应卡尔曼滤波算法程序获得IGBT结温Tj估计值
[0071] 如图2所示，通态压降VCE(ON)在线测量电路包括分压电阻器R1、分压电阻器R2、分压电阻器R3、分压电阻器R4、运算放大器U1、反馈电阻R5、ESD 二极管、下降沿检测器、单稳态多谐振荡器、电容器、运算放大器U2、模数转换器ADC；其中：
[0072] 分压电阻器R1、分压电阻器R2、分压电阻器R3、分压电阻器R4起分压的作用，将通态压降VCE(ON)降至运算放大器U1所允许的输入电压的范围；
[0073] 运算放大器U1是差分放大器，当IGBT器件处于关断状态时，通态压降 VCE(ON)不需要测量，运算放大器U1输出饱和，Vout＝VH_U1，其中Vout为运放 U1的输出，VH_U1为运算放大器U1的饱和电压；当IGBT处于导通状态时，运算放大器U1从饱和状态恢复到VCE(ON)值，即Vout＝VCE(ON)；
[0074] 反馈电阻R5用于限制运算放大器U1的放大倍数，稳定工作点
[0075] ESD二极管用于保护运算放大器U1的输入，抵抗高压尖峰；
[0076] 并联于分压电阻器的电容器用于改善分压器的频率响应；
[0077] 下降沿探测器用于比较运算放大器U1的输出和一个预定义的电压，以检测VCE的下降沿，并触发单稳态多谐振荡器以启用采样电路，延迟时间能通过调节多振子元器件的值来调整，以为VCE提供足够的稳定时间；
[0078] 运算放大器U2为隔离放大器，用于实现电容隔离，并使用高频信号调制；
[0079] 电容器用于隔离所述运算放大U2的高频信号；
[0080] 模数转换器用于在测量端测量通态压降VCE(ON)。
[0081] 本发明实施例的IGBT模块结温在线估计方法包括以下步骤：
[0082] 步骤1、采用IGBT模块结温在线估计电路系统测量IGBT功率模块的 IGBT通态压降VCE(ON)，并建立IGBT结温Tj查找表；
[0083] 步骤2、计算IGBT功率模块中IGBT和二极管的功率损耗；
[0084] 步骤3、建立IGBT等效热网络模型，并采用计及焊料层疲劳累积效应热网络更新策略，阶段性适时更新IGBT等效热网络模型；
[0085] 步骤4、根据IGBT等效热网络模型以步骤1中结温Tj和步骤2中IGBT、二极管功率损耗为状态变量建立状态空间模型，并按步骤3更新IGBT等效热网络模型，进而更新状态空间模型；
[0086] 步骤5、根据步骤4中的状态空间模型设计自适应卡尔曼滤波算法程序获得IGBT结温Tj估计值
[0087] 步骤1中，以功率变换器为例，通态压降VCE(ON)的在线测量和结温Tj查找表的建立的具体方法如下：
[0088] 步骤11、在
门极电压驱动下，IGBT工作在饱和区，将测量电路连接在IGBT 集
电极(C)与发射极(E)之间测量IGBT通态压降VCE(ON)。如图2所示，通态压降VCE(ON)测量电路包括分压电阻器R1-R2、分压电阻器R3-R4、运算放大器U1、ESD二极管、下降沿检测器、单稳态多谐振荡器、电容器、运算放大器U2、模数转换器(ADC)。
[0089] 分压电阻器R1-R2和分压电阻器R3-R4起分压的作用，将通态压降VCE(ON)降至运算放大器U1所允许的输入电压的范围；运算放大器U1是具有差分结构的精密放大器，当IGBT器件处于关断状态时,通态压降VCE(ON)不需要测量， U1输出饱和，Vout＝VH_U1，其中Vout为运放U1的输出，VH_U1为运放的饱和电压；运算放大器U1具有较短的恢复时间，当IGBT处于导通状态时，U1从饱和状态恢复到VCE(ON)值，Vout＝VCE(ON)；ESD二极管用于保护运算放大器U1的输入，抵抗高压尖峰；并联于分压电阻器的电容器用于改善分压器的频率响应；所述下降沿探测器用于比较运算放大器U1的输出和一个预定义的电压，以检测VCE的下降沿，并触发单稳态多谐振荡器以启用采样电路，延迟时间可以通过多振子元件选择适当的值来调整，以为VCE提供足够的稳定时间；运算放大器U2为隔离放大器，用于实现电容隔离，并使用高频信号调制；电容器用于隔离所述运算放大U2的高频信号；模数转换器用于再测量端测量通态压降VCE(ON)。此通态压降VCE(ON)测量电路可实现在大电流条件下无干扰、无破坏性地在线测量通态压降VCE(ON)参数。
[0090] 步骤12、IGBT结温Tj的查找表(LUT)主要通过所测通态压降VCE(ON)和负载电流IL建立。改变功率变换器负载电流IL，通过通态压降VCE(ON)测量电路，以及红外测温仪测量IGBT结温Tj，建立结温Tj-通态压降VCE(ON)-负载电流IL三维
数据库，并选取一定数量的点，使用Matlab工具箱进行拟合，得到结温Tj-通态压降VCE(ON)-负载电流IL函数关系Tj＝(VCE(ON),IL)。
[0091] 步骤2中，计算IGBT功率模块IGBT和二极管的功率损耗的具体方法如下：
[0092] PIGBT＝Pcond_T+PSW_T PDiod＝ePcon+d_PD
[0093] Pcond_T＝VCE(ON)×IL×δk Pcond_D＝VCE(ON)×IL×(1-δk)
[0094] PSW＝(Eon+Eoff)×fSW
[0095] 其中：PIGBT为IGBT功率损耗；Pcond_T为IGBT通态损耗；PSW_T为IGBT
开关损耗；PDiode为二极管功率损耗；Pcond_D为二极管通态损耗；PSW_D为二极管开关损耗；δk为占空比；fSW为开关频率；Eon为开通过程
能量损耗；Eoff为关断过程能量损耗。
[0096] 步骤3中，计及焊料层疲劳累积效应的热网络更新策略的具体方法如下：
[0097] 热阻抗Zθja(t)由结温Tj(t)与恒定环境温度Ta的差与阶跃输入功率PD之比来描述，即Zθja(t)＝(Tj(t)-Ta)/PD。等效RC网络可以用一系列RC参数来描述Zθja(t)函数，形成如图3所示的Foster网络。Foster网络的响应用一系列指数形式表示为对其作拉普拉斯(Laplace)变换，得到热阻抗在频域内传递函数的部分分式展开式为其中ki和pi分别为传递函数的留数和极点，s 为复变
量。通过代数运算，可以发现留数和极点与RC分量的关系公式为
[0098] 建立4阶RC热网络行为模型，等效热阻R1与等效
热容C1并联连接记为第1阶RC网络,等效热阻R2与等效热容C2并联连接记为第2阶RC网络,等效热阻R3与等效热容C3并联连接记为第3阶RC网络,等效热阻R4与等效热容C4并联连接记为第4阶RC网络。采用阶段性适时更新热网络方式，选取热阻增大10％作为热网络更新系数，以热阻增大50％作为器件完全失效判据，将模块老化过程离散为Rth、1.1×Rth、1.2×Rth、1.3×Rth、1.4×Rth五个阶段，其中 Rth为IGBT在健康状态下的热阻，每个阶段的疲劳累计为ΔD＝0.2。
[0099] 步骤4中，状态空间模型的建立的具体方法如下：
[0100] 步骤41、自热建模：根据步骤4中热网络行为模型，选择IGBT和二极管功率损耗以及结温作为状态变量，列写状态空间方程：
[0101] 状态方程： 输出方程：Tj(t)＝Cx(t)+Du(t)
[0102]
[0103] C＝[1 1 1…1]；D＝[0 1]；u(t)＝[PD(t),Ta]
[0104] 其中，An×n为系统矩阵，Bn×2为输入矩阵,Cl×n为输出矩阵，D1×2为前馈矩阵。状态向量 表示RC单元间的温差,u(t)为系统输入向量，其中PD(t)为功率损耗，Ta为环境温度，Ri为第i阶热网络等效热阻，Ci为第i阶热网络等效热容，本例中选用4阶热网络模型，n取4。
[0105] 步骤42、考虑二极管交叉耦合效应：与步骤41相同，建立m阶二极管状态空间方程，将自热阻抗的n阶状态空间模型与交叉耦合阻抗的m阶模型相结合，构造出同时表示IGBT和二极管两种阻抗的扩展模型，得到完整的IGBT 结温状态空间模型：
[0106]
[0107]
[0108] 其中，xs1,…,xsn为自热阻抗状态，ps1,…,psn和ks1,…,ksn分别为自热阻抗的极点和留数。类似地，xc1,…,xcm为交叉耦合阻抗的状态，pc1,…,pcm和kc1,…,kcm分别为自热阻抗的极点和留数。Tj是IGBT结温。Ta为环境温度，PIGBT和PD分别为IGBT和二极管的功率损耗。
[0109] 步骤43、模型参数辨识：利用MATLAB或者Saber仿真软件中拟合工具箱拟合器件的瞬态热阻抗曲线求解参数值得健康状态下的IGBT和二极管的模型参数Ri、Ci。根据步骤4更新步骤43中状态空间模型的参数，只需对应地将自热阻抗的极点ps1,…,psn和交叉耦合阻抗的极点pc1,…,pcm更新。对应于五个老化阶段Rth、1.1×Rth、1.2×Rth、1.3×Rth、1.4×Rth分别更新为ps1,…,psn、
[0110] 步骤5中，计算IGBT结温Tj估计值 的具体方法如下：
[0111] 根据步骤(4)中的状态空间模型编写自适应卡尔曼滤波程序，卡尔曼滤波分为预测和校正。在预测步骤中,模型是利用当前所算功率损耗计算预测状态 修正状态 是利用上一步功率损耗。预测误差协方差Pk-计算同理。当测量值Tk已知时,校正步骤是可行的，剩余量ek是通过测量值Tk和估计值 所决定。修正状态 的计算通过更新预测状态，剩余量ek的计算利用卡尔曼滤波增益矩阵Kk。
[0112] 其递推公式为：
[0113] 状态估计时间更新：
[0114] 误差协方差时间更新：
[0115] 卡尔曼增益矩阵：
[0116] 状态测量更新：
[0117] 误差协方差测量更新：
[0118] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
