基于新型热网络模型的逆变器主动热控制策略

作     者：张星 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘平

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：碳化硅(SiC)功率器件 逆变器 热网络 结温观测 主动热控制 

摘      要：碳化硅(SiC)功率半导体器件以其宽禁带、高饱和速率、高导热率和高击穿场强等特性在未来的电动汽车逆变器中具有巨大潜力。已有研究表明功率循环波动和热应力冲击是造成功率模块失效的主要原因。为了快速准确的估计功率模块结温并通过有效措施提高电动汽车逆变器可靠性。本文提出了基于新型热网络模型的逆变器主动热控制策略,来实现对SiC功率模块结温在线观测和主动热控制。保障SiC功率模块的安全可靠运行。本文首先从SiC功率模块内部的传热机理和开关特性入手;介绍了两种常用的热网络形式以建模方法和特点,总结了两种模型存在的缺陷。并利用器件厂商提供的数据手册中的数据建立了逆变器功率器件的损耗模型。其次针对现有热网络模型存在的模型结构复杂,热阻抗参数易受模型参考点的选取以及环境温度的影响等问题。提出了基于内置温度传感NTC的新型热网络模型。新型热网络的温度参考点不再以散热器温度或环境温度作为参考而是以模块内部温度传感器温度信息为参考,无需建立散热器到环境的热网络,简化了模型结构;同时模型中考虑了芯片热耦合影响,提高了模型精度。仿真和实验结果分析表明,本文所提新型热网络模型参数不会受到散热条件和环境温度变化的影响同时验证了在正弦和方波工况下模型计算精度与有限元法相当但计算速度更快。为逆变器主动热控制提供良好基础。最后提出了逆变器主动热控制策略,即利用逆变器的电热模型计算功率器件的结温,然后设计电流限幅控制器根据功率器件的最大结温及其可用热容量来动态调整逆变器的最大运行电流值,从而控制逆变器的功率器件的最大结温。测试结果表明本文所提控制策略能够很好地控制逆变器在低频大功率输出工况以及堵转工况下的瞬时结温冲击,使逆变器工作在安全结温以下,降低器件因结温过高而发生失效的概率,延长器件使用寿命;另外,相比于预留裕量,设置固定最大运行电流的控制策略,所提控制策略能充分利用逆变器的最大瞬时可用热容量,提高了逆变器的瞬时负载能力,可实现系统运行极限最大化。