[发明专利]一种IGBT模块的结温预测方法

说明书

本发明一种IGBT模块的结温预测方法，包括：1)根据模块化多电平电路参数和短路前运行情况计算出直流双极短路时流过IGBT电流的表达式；2)根据IGBT数据手册拟合出导通损耗、开关能量与流过IGBT电流的关系式；3)根据IGBT的等效开关频率和等效占空比判断IGBT所处的开关状态；4)根据IGBT所处的开关状态，直流双极短路时流过IGBT电流的表达式，以及导通损耗、开关能量与流过IGBT电流的关系式计算出IGBT的损耗值P；5)根据IGBT的损耗值P和IGBT模块的4阶Foter传热模型计算出IGBT结温随时间分布值。本发明用于针对模块化多电平电路，通过计算预测出其不同运行条件下发生直流双极短路时的结温变化曲线。为主电路设计、保护设计以及散热回路设计提供参考，提高系统的稳定性。

技术领域：

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种IGBT模块的结温预测方法，用于在模块化多电平电路直流双极短路情况下IGBT的结温计算。

背景技术：

模块化多电平因为其可拓展性强，输出电平数高、谐波含量低，非常适用于高压大电流的场合，在柔性直流输电中有广泛的应用。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为电路子模块中的最重要的元件，其正常工作与否极大地影响着电路的运行的可靠性。IGBT模块失效在很大程度上是在热循环的影响下过热失效，与其结温有着直接的关系。因此，在系统未运行前模拟其运行条件预测IGBT结温是非常必要的。

模块化多电平电路的短路故障是具有严重后果的故障，而其中直流双极短路是最严重的短路情况。研究直流双极短路情况下IGBT结温的变化曲线，可以得出不同运行条件下IGBT的热失效时刻及故障耐受时间，对主电路设计、保护设计以及散热回路设计都有着重大的意义。目前的结温计算方法大多是PWM变流器中IGBT的结温计算方法，由于模块化多电平电路的调制方式不同，其子模块的投切行为较复杂，开关频率较低，故不能将其直接应用于模块化多电平电路中。

发明内容：

本发明目的是为了提供一种IGBT模块的结温预测方法，用于针对模块化多电平电路，通过计算预测出其不同运行条件下发生直流双极短路时的结温变化曲线。为主电路设计、保护设计以及散热回路设计提供参考，提高系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种IGBT模块的结温预测方法，包括以下步骤：

1)根据模块化多电平电路参数和短路前运行情况计算出直流双极短路时流过IGBT电流的表达式；

2)根据IGBT数据手册拟合出导通损耗、开关能量与流过IGBT电流的关系式；

3)根据IGBT的等效开关频率和等效占空比判断IGBT所处的开关状态；

4)根据IGBT所处的开关状态，直流双极短路时流过IGBT电流的表达式，以及导通损耗、开关能量与流过IGBT电流的关系式计算出IGBT的损耗值P；

5)根据IGBT的损耗值P和IGBT模块的4阶Foter传热模型得出预测的时间段内IGBT结温随时间变化趋势的离散曲线。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，直流双极短路时流过IGBT的电流表达式如下：

其中

其中，U_dc为直流侧电压值、n为半个桥臂子模块个数、C₀为子模块电容容值、L_a为桥臂阀电抗器电感值、R_st为桥臂等效电阻值、L_L为直流母线等值电感值、R_L为直流母线等值电阻值、I_L为故障时刻电感电流值。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，导通损耗以及开关能量与流过IGBT电流I_C的关系式如下：