[发明专利]基于卡尔曼滤波器的变流器IGBT模块结温估计方法

说明书

本发明公开了一种基于卡尔曼滤波器的变流器IGBT模块结温估计方法，本发明要解决的技术问题为实现变流器中IGBT模块在线结温估计的问题，提供了一种基于卡尔曼滤波器的变流器IGBT模块结温估计方法，以变流器在线运行为前提，利用建立的IGBT模块结温与其内部热敏电阻温度关系数据模型，结合IGBT模块热阻抗模型，根据现代控制理论中的卡尔曼滤波器对IGBT模块进行在线结温估计。本发明的基于卡尔曼滤波器的变流器IGBT模块结温估计方法能够实现包括光伏发电，风能发电，电动汽车等多种应用场合的变流器中IGBT模块在线结温估计，结温估计的精度较高，信号处理过程简易。并且此方法并未加入额外复杂的电源电路，在进行结温估计的同时提升系统的可靠性。

技术领域

本发明涉及一种基于卡尔曼滤波器的变流器IGBT模块结温估计方法，属于IGBT模块在线结温计算方法。

背景技术

近年来，大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)在新能源发电、电动汽车、轨道交通以及智能电网等领域应用广泛。随着功率容量的不断提高，系统的可靠性要求也越来越高。电力电子系统可靠性影响因素多且相互关系复杂，有关电力电子可靠性方面的研究尚处在初期阶段。功率变流装置可靠性问题既存在电、热和机械等多场域的耦合，又包含器件、装置和系统等多层次的综合。IGBT模块，失效方式主要为结温导致的热击穿、键合线断裂以及焊料层疲劳。相关文献统计表明，有55％的电力电子系统失效是与温度有关，而在电力电子系统失效中占比例最大的为功率器件，高达整个失效的31％。功率开关器件故障直接引起电路拓扑结构的改变，常常造成整个电力电子系统失效。因此，变流器中IGBT模块在线实时结温估计对于系统安全可靠运行至关重要。

由于变流器工况以及变流器结构等较为复杂，很难实现在线运行实时测量结温，因此通过计算模型间接估计结温成为可靠性保护的重要途径。目前，计算模型间接估计结温已成为研究热点问题，这既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，如发明专利申请《一种IGBT模块的结温预测方法》(CN 107025364 A)和《基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置》(CN 106969851 A)。

中国发明专利申请公开说明书CN 107025364 A于2017年8月8日公开的《一种IGBT模块的结温预测方法》，是先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，随后根据损耗与热阻抗模型得到直流双极短路结温变化曲线。但是该结温估计方法存在以下不足：

1)所提结温估计方法仅适用于模块化多电平电路的直流双极短路情况下的结温估计，针对其他应用场合与工况不具有普适性；

2)未能给出根据上一计算周期结温修正当前损耗的详细策略，即算法不完备。

中国发明专利申请公开说明书CN 106969851 A于2017年7月21日公开的《基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置》，该发明专利设计了一种用于检测温箱实验中测试IGBT模块结温装置，首先根据小电流热敏感参数方法建立饱和压降与结温的关系，在功率循环条件下通过开关管控制注入待测IGBT大电流的关断，监测关断时IGBT模块饱和电压的变化，代入预先利用热敏感电参数求出的函数关系得到结温变化过程，监测开关管关断过程的结温。但是该结温估计方法存在以下不足：

1)该结温估计方法仅提供了一种探究离线结温研究的平台装置，并非实际变流器运行过程中的在线结温估计；

2)该结温估计方法需要特定的时限，即在开关管关断时刻进行测试，若开关管的开关频率较高，可能会导致测试延误或无法再关断器件测试等情况；

3)该方法需要额外辅助测试电路，电源电路等，增加了测试的复杂度，降低了系统可靠性；

4)饱和压降由于数值较小，测试结果易受电磁干扰，其测试数据的准确性影响结温估计的精度。

发明内容