基于多模型的IGBT模块结温估计方法研究

作     者：孙志宇 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马铭遥

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：电力电子技术 绝缘栅双极晶体管 可靠性 结温估计 电动汽车 

摘      要：近年来,大功率电力电子技术得到广泛应用,其支撑着新能源发电,航空航天,轨道交通,智能电网,电动汽车等新兴领域的发展。随着功率容量的不断提高,系统的可靠性要求也越来越高。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)模块作为电力电子系统的核心部件,其结温是可靠性评估的重要参数,受到工业界与学术界广泛关注。本文从工程应用的角度出发,以电动汽车为应用背景,开展了基于多模型的IGBT模块结温估计方法的研究,提出了一种具有工程意义在线结温估计方法,通过搭建电机驱动器测试平台与有限元仿真模型,验证了所提方案结温估计的准确性,并实现了电动汽车的电机驱动器在线结温估计。本文首先介绍了目前常见的几种结温估计方法,对各种方法的优缺点进行了概括,针对于工程应用场合分析几种结温估计方法的适用性。在分析了几种常见结温估计方法的适用性基础上,根据电动汽车电机驱动器所用IGBT模块特点锁定了适用于在线结温估计方案。IGBT模块内部结构中通常会内置一个负温度系数热敏电阻NTC用于获取模块内部的温度情况,很多厂商的变流器产品中都是利用IGBT模块内部的NTC读取的温度值作温度保护,但是其并不会直接反映IGBT结温,基于这种保护机制的基础,本文中探究在特定工况下结温与NTC温度的关系,在多个散热条件下通过大量实验搭建两个温度间的数据模型,并将其应用于在线条件进行实验验证其方法的可行性与准确性。其次,通过对比分析几种常见的IGBT模块结温估计方法,基于热阻抗模型的结温估计方法更加适用于工程应用。文中介绍此方法中Foster型热阻抗模型的获取方法,以及其中必要的损耗计算方法。在基于NTC温度与结温关系的基础上,整合了两种方法的基于多模型的IGBT模块结温估计方法,利用现代控制理论中的卡尔曼滤波器将两模型结合以获取最优的结温估计。最后,通过实验与有限元仿真分析比较了基于多模型的结温估计与有限元仿真结果的差异,以此验证了基于多模型的结温估计方法的可行性与准确性。延伸了在线结温估计的应用,提出了一种电动汽车电机驱动器中IGBT模块的过温保护策略,为电动汽车的安全可靠运行提供了基础。