[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于卡尔曼滤波器的变流器IGBT模块结温估计方法，其特征在于：以变流器在线运行为前提，利用建立的IGBT模块结温与IGBT模块内部热敏电阻NTC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，包括以下步骤：步骤1，搭建结温测试电路，并将IGBT模块脱离在线运行工况，利用小电流热敏感电参数法记录在100mA电流下IGBT模块饱和电压U_CE与IGBT模块结温T_j离散点；对IGBT模块饱和电压U_CE与IGBT模块结温T_j的离散点进行线性拟合，得出一次函数曲线，并记为T_j‑U_CE曲线；通过结温测试电路测试IGBT模块结温T_j与内部热敏电阻NTC温度T_NTC的对应关系；所述结温测试电路的拓扑结构包括三个支路：可控的大电流源I_heat与开关管K₂串联支路，固定100mA小电流源I_low支路，待测器件DUT与开关管K₁串联支路，三个支路并联连接；步骤2，根据步骤1中的方法，在多个散热条件下分别进行多组测试，获取多组IGBT模块结温T_j与内部热敏电阻NTC温度T_NTC的对应关系，搭建多散热条件的IGBT模块结温T_j与内部热敏电阻NTC温度T_NTC关系数据模型，并记为T_j‑T_NTC关系数据模型；步骤3，通过实验实时记录IGBT模块结温T_j，利用热电偶测试基板温度T_C，获取IGBT模块从硅芯片到铜基板的热阻抗曲线；步骤3.1，利用结温测试电路，设定大电流源I_heat的输出电流，待IGBT模块温度稳定后，记录IGBT模块此时的测试功率损耗P；步骤3.2，IGBT模块温度稳定后断开大电流源，立即实时记录小电流源下IGBT模块饱和电压U_CE与利用热电偶测试的IGBT的基板温度T_C；步骤3.3，将步骤3.2中IGBT模块饱和电压U_CE根据步骤1中得到的T_j‑U_CE曲线转换成IGBT模块结温T_j，通过热阻计算公式计算在测试功率损耗P下从硅芯片到基板的实时IGBT模块热阻抗Z_th；步骤3.4，通过描点法画出步骤3.3中IGBT模块热阻抗Z_th随着时间t变化的热阻抗曲线；步骤4，将步骤3中的热阻抗曲线拟合成IGBT模块热阻抗模型，所述IGBT模块热阻抗模型为4阶形式，IGBT模块热阻抗表达式如下：其中，R_i为等效热阻，τ_i为等效热阻R_i与等效热容C_i相乘得到的时间常数，其中i＝1,2,3,4；IGBT模块热阻抗表达式对应的电路拓扑即为IGBT模块热阻抗模型；所述IGBT模块热阻抗表达式对应的电路拓扑包括：测试功率损耗P作为电流源，基板温度T_C作为末端电压源，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，电流源与4阶的RC网络以及末端电压源串联连接，记电流源与第1阶RC网络间为第0节点，第1阶RC网络与第2阶RC网络间为第1节点，第2阶RC网络与第3阶RC网络间为第2节点，第3阶RC网络与第4阶RC网络间为第3节点，第4阶RC网络与电压源间为第4节点，每个节点处的温度同节点与电流源负极间的电压相对应；步骤5，根据步骤4的IGBT模块热阻抗模型列写状态空间方程形式如下：T_j1＝HT(t)+DU(t)其中，矩阵A为系数矩阵，B为输入矩阵，H为输出矩阵、D为直接传输矩阵，T(t)表示两个相邻节点之间温度差列矩阵，U(t)为输入向量矩阵，T_j1为离散后当前时刻估计结温，表达式如下：H＝[1 1 1 1]  D＝[0 1]步骤6，设当前时刻为k，上一时刻为k‑1，将步骤5中的状态空间方程转换成离散系统形式，表达式如下：T(k)＝A₁T(k‑1)+B₁U(k)+W(k)T_j1＝H₁T(k)+D₁U(k)+V(k)其中，T(k)为离散后当前时刻相邻节点之间温度差列矩阵，T(k‑1)为离散后前一时刻相邻节点之间温度差列矩阵矩阵，A₁为系数矩阵A的离散形式，B₁为输入矩阵B的离散形式、H₁为输出矩阵H的离散形式，D₁为直接传输矩阵D的离散形式，U(k)为输入向量矩阵U(t)的离散形式，W(k)表示假设的过程，V(k)表示测量噪声；步骤7，实时采集变流器中IGBT集电极电流I_C和当前时刻结温T_j(k)并根据器件厂商提供的数据，计算当前时刻实时功率损耗P(k)；步骤8，在变流器中，将热电偶贴附于待监测IGBT芯片正下方的基板位置，实时测取当前时刻基板温度T_C(k)与当前时刻NTC温度T_NTC(k)；步骤9，将步骤6中的离散系统形式利用卡尔曼滤波器进行运算，并得到当前时刻最优估计结温T_j^(k)；步骤9.1，设步骤4得到的IGBT模块热阻抗模型为预测系统，根据当前时刻功率损耗P(k)与当前时刻基板温度T_C(k)查出当前时刻热阻抗模型估计结温T_j1(k)；步骤9.2，设步骤2搭建的T_j‑T_NTC关系数据模型为测量系统，测量系统中输入量为当前时刻NTC温度T_NTC(k)，根据T_j‑T_NTC关系数据模型查出当前时刻数据模型结温T_j2(k)；步骤9.3，根据卡尔曼滤波器算法算出当前时刻最优估计结温T_j^(k)；所述的卡尔曼滤波器表达式为：T(k|k‑1)＝A₁T(k‑1|k‑1)+B₁U(k)P(k|k‑1)＝A₁P(k‑1|k‑1)A₁'+QT(k|k)＝T(k|k‑1)+Kg(k)(T_j2(k)‑T_j1(k))Kg(k)＝P(k|k‑1)H₁'/(H₁P(k|k‑1)H₁'+R)P(k|k)＝(I‑Kg(k)H₁)P(k|k‑1)T_j^(k)＝H₁T(k|k)+D₁U(k)表达式中T(k|k‑1)为上一时刻预测的相邻节点之间温度差矩阵，T(k‑1|k‑1)为上一时刻最优预测的相邻节点之间温度差矩阵，P(k|k‑1)为上一时刻最优预测的相邻节点之间温度差矩阵T(k|k‑1)所对应的协方差，P(k‑1|k‑1)为上一时刻最优预测的相邻节点之间温度差矩阵T(k‑1|k‑1)所对应的协方差，A₁'为系数矩阵A的离散形式A₁的转置，Q为系统过程协方差，T(k|k)为当前时刻最优预测的相邻节点之间温度差矩阵，Kg(k)为卡尔曼增益，H₁'为输出矩阵H的离散形式H₁的转置，R为噪声方差，P(k|k)为当前时刻最优预测的相邻节点之间温度差矩阵T(k|k)所对应的协方差，I为单位矩阵；步骤10，输出步骤9得到的当前时刻最优估计结温T_j^(k)，并将当前时刻最优估计结温T_j^(k)代入步骤7替换当前时刻结温T_j(k)，进入下一个时刻IGBT模块结温的估计。