[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

说明书

本发明涉及一种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，属于新能源发电用大功率电力电子器件可靠性技术领域，该方法包括：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：推导杂散电感参数与开通损耗间的数学关系；S3：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；S4：建立IGBT模块动态结温计算模型，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。本发明能够准确反映IGBT功率模块内部动态热分布，有效表征模块内部的热薄弱环节，可改进风电变流器热管理控制策略，从而提高其可靠性。

技术领域

本发明属于新能源发电用大功率电力电子器件可靠性技术领域，涉及一种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。

背景技术

风电变流器作为风能转换系统枢纽，是影响风电机组稳定可靠运行的重要环节。然而机组长时间、大范围频繁的随机出力，致使变流器持续承受剧烈的热应力冲击，成为故障率最高的部件之一。为了满足风电机组大容量变流器功率模块的应用需求，目前普遍采用多芯片并联来提高功率等级，然而，并联多芯片间电流分布不均以及芯片间的热源耦合会导致模块内部温度差异明显。考虑多芯片动态多热源耦合影响的风电变流器功率模块结温准确计算，对发现功率模块内部薄弱环节，提高其运行可靠性至关重要。

目前大多数研究主要针对单芯片和多芯片IGBT模块稳态结温评估及其热分布。然而，基于稳态电流均匀分布假设和模块平均损耗分布的计算结果，无法准确反映其内部多芯片动态热应力分布，难以表征变流器功率模块内部的薄弱环节。随着IGBT开关频率提高，模块内部杂散电感影响并联多芯片间的电流分布，进而影响芯片间的热耦合问题，因此，有必要进一步研究计及杂散电感影响的风电变流器功率模块内部动态结温的计算。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种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，该方法在考虑杂散电感影响的前提下，结合模块热网络模型，利用IGBT模块杂散电感参数、损耗参数以及不同控制策略下的变流器运行参数，对IGBT模块内部的动态结温分布进行计算；同时考虑温度分布对损耗的影响，将结温计算结果反馈到损耗计算模型中，往复迭代得到IGBT模块内部各芯片间的动态结温分布。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

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，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；

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。

进一步，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。

进一步，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。