[发明专利]计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法

权利要求书

1.计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：

S1：根据杂散电感导致的并联多芯片间的动态不均流，建立IGBT模块等效电路模型；

S2：理论推导杂散电感参数与芯片开通损耗间的数学关系；

S3：根据芯片间热耦合对结温分布的影响，引入等效热耦合阻抗，建立考虑芯片间热耦合的热网络模型；具体包含如下步骤：

S31：建立IGBT模块的有限元模型，通过在单个芯片上施加单位脉冲损耗，监测该芯片及周边芯片的稳态结温最大值，再借助MATLAB进行曲线拟合，获取不同芯片间距下器件自热阻抗和耦合热阻抗；

S32：基于传统Foster热网络模型，引入等效热耦合阻抗表征多芯片间的热耦合，建立IGBT模块热网络模型；

S4：建立考虑杂散电感影响的IGBT模块内部动态结温计算模型，根据温度分布对损耗的影响，将结温热分布结果反馈到损耗的数学关系模型中，往复迭代获得IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。

2.根据权利要求1所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：步骤S1具体包含如下步骤：

S11：构建考虑杂散电感的多芯片并联IGBT功率模块上、下桥臂等效电路模型；

S12：借助ANSYS软件提取等效电路模型中的杂散电感参数，推导各支路杂散电感的感应电压表达式，进一步分析芯片开通过程中杂散电感对电流变化率的影响。

3.根据权利要求2所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：步骤S2具体为：

S21：建立基于功率半导体器件开关过程物理机制的开通分段线性模型，计算开通过程中各芯片损耗，理论分析各芯片的开通损耗与电流变化率之间的关系；

S22：根据杂散电感对电流变化率的影响，进一步建立各芯片损耗与杂散电感之间的数学关系式。

4.根据权利要求3所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：步骤S4具体包含如下步骤：

S41：考虑IGBT功率模块内部封装杂散电感，基于多芯片电热耦合理论，结合风电变流器控制策略，建立计及杂散电感影响的IGBT模态内部动态结温计算模型；

S42：利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及变流器运行参数，计算IGBT导通损耗和开关损耗；

S43：将损耗计算结果输入到热网络模型，同时考虑温度分布对损耗的影响，将计算所得的结温热分布结果反馈到损耗模型中，以此往复迭代得到IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。

5.根据权利要求2所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：所述步骤S12中，IGBT导通过程中，支路电流I与驱动电压U_ge满足：

式中，U_GE为栅极和发射极辅助端子两端电压，其值在任意时刻对各并联支路芯片相同；电感矩阵L为各支路杂散电感，划分为两部分，一是驱动电流i_g导通路径电感，二是功率电流i_c导通路径电感；

上下桥臂杂散电感的感应电压表达式为：

各芯片导通电流变化率为：

代入U_ge可得

式中，K_P为器件内部等效MOSFET管的导电系数；U_th为导通阈值电压。

6.根据权利要求4所述的计及杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算方法，其特征在于：所述步骤S42中，开关损耗计算公式满足：

式中，E_on(I)、E_off(I)分别为IGBT模块负载电流等级为I下总开通损耗和总关断损耗；K_{low_j}为芯片j开通损耗占总损耗比例系数；n为并联芯片个数；k_j为各芯片电流变化率比值，j＝1,…,6。