资料下载|电机IGBT结温估算及模型分享

目录：

• • IGBT结温估算的意义
  • 结温估算的算法流程图
  • 电流估算介绍
  • 导通损耗估算介绍
  • 开关损耗估算介绍
  • 结温估算小结
  • IGBT的结温相关参数标定
    • 测量参数
    • Zj-ntc参数标定
    • 温度系数提取
    • Zj-ntc参数提取
  • 结温估算Simulink模型分享

电机IGBT结温估算的意义

确保电机安全运行

• 结温是判定IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件是否处于安全运行的重要条件。
• IGBT的工作结温限制着控制器的最大输出能力，如果结温过高，可能会导致功率器件损坏，影响设备的性能、寿命甚至引发故障。

优化电机性能

• 结温的高低直接影响功率器件的工作性能，如导通电阻、开关速度等。
• 通过准确估算结温，可以选择合适的功率器件和散热方案，从而优化电机的整体性能。

延长电机寿命

• 结温过高会加速功率器件的老化进程，缩短电机的使用寿命。
• 通过结温估算，可以实时监测电机的运行状态，及时发现问题并采取相应措施，从而延长电机的使用寿命。

提高系统效率

• 在电机工作过程中，温度是影响系统效率的重要因素之一。
• 通过结温估算，可以优化电机的控制策略，减少不必要的能耗，提高系统的整体效率。

支持故障诊断与预测性维护

• 结温估算还可以用于电机的故障诊断与预测性维护。通过监测结温的变化趋势，可以及时发现潜在的故障隐患，避免重大事故的发生。
• 同时，根据结温数据，可以制定合理的维护计划，降低维护成本，提高设备的可靠性。

结温估算的算法流程图

1. 算法概述

IGBT模块结温估算算法旨在通过输入参数（如母线电压、三相电流瞬时值、三相占空比、散热器温度等）来估算uvw三相桥臂的发热功率以及DH、TH、DL、TL等关键位置的温度估计值。

这些输出参数对于确保电机安全运行、优化性能、延长寿命以及提高系统效率至关重要。

2. 输入参数

• • 母线电压（Vdc）：直流母线电压值，单位伏特（V）。
  • 三相电流瞬时值（Ia, Ib, Ic）：三相电流的瞬时值，单位安培（A）。
  • 三相占空比（Da, Db, Dc）：三相桥臂的PWM占空比，取值范围0到1。
  • 散热器温度（T_heatsink）：散热器表面的温度，单位摄氏度（°C）。
  • 调用周期（T_sample）：算法调用周期，这里为1毫秒（ms）。
  • 开关频率（F_sw）：IGBT的开关频率，这里为1千赫兹（kHz）。

3. 输出参数

• • uvw三相桥臂发热功率（P_loss_a, P_loss_b, P_loss_c）：三相桥臂的发热功率，单位瓦特（W）。
  • uvw三相桥DH温度估计值（T_DH_a, T_DH_b, T_DH_c）：三相桥上管（High side）的温度估计值，单位摄氏度（°C）。
  • uvw三相桥TH温度估计值（T_TH_a, T_TH_b, T_TH_c）：三相桥管壳（Heatsink side of the IGBT）的温度估计值，单位摄氏度（°C）。
  • uvw三相桥DL温度估计值（T_DL_a, T_DL_b, T_DL_c）：三相桥下管（Low side）的温度估计值，单位摄氏度（°C）。
  • uvw三相桥TL温度估计值（T_TL_a, T_TL_b, T_TL_c）：三相桥下管与散热器接触面的温度估计值，单位摄氏度（°C）。

备注说明：

• • 算法调用周期为1毫秒（ms），意味着每秒将进行1000次温度估算。
  • 开关频率为1千赫兹（kHz），意味着IGBT每秒开关1000次，这将对瞬时功率损耗和温度估算产生影响。
  • 在实际应用中，可能需要考虑更多的因素，如IGBT的老化、温度分布的均匀性、散热器的非理想特性等。这些因素可以通过更复杂的热模型或实验数据来进行修正和优化。

上图中红色的核心算法描述如下：

电流估算

在电机结温估算的过程中，对电流的精确估计至关重要。图中详细描述了电流估计的原理，特别是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和二极管在开关周期内的电流流动情况。

当电流被定义为流入电机绕组为正时，电流会经过上桥IGBT和下桥二极管进行续流。在一个完整的开关周期内，流过这两个器件的电流可以分别表示为：

其中，i代表瞬时电流值，而dutycycle（占空比）则描述了开关周期内导通时间的比例。

当电流方向为负，即流出电机绕组时，电流会经过下桥IGBT和上桥二极管进行续流。此时，在一个开关周期内流过这两个器件的平均电流可以表示为：

值得注意的是，由于开关动作的影响，电流在开关周期内并不是恒定的，而是呈现出波动的特性。因此，通过上述方法计算得到的电流实际上是平均电流或近似电流。

在电机结温估算中，由于IGBT的开关频率通常很高，直接以开关频率进行结温估计会消耗大量的计算资源，因此并不实用。

为了解决这个问题，可以采用降采样的方法进行处理。例如，可以每十个开关周期计算一次电流和占空比，并以这些值替代近十个开关周期的电流和占空比进行计算。

然而，降采样方法也存在一定的局限性。当电流频率较低时，如10kHz开关频率下，1ms内的电流幅值和占空比变化相对较小，因此降采样带来的偏差也较小。

但当电流频率较高时，如500Hz，1ms内的电流变化会显著增大，从而导致降采样方法的误差增大。尽管如此，考虑到结温保护在低速甚至是堵转时更为重要。 因此降采样方法仍然具有一定的实际意义和应用价值。

通过电流估算，计算结温如下所示

输入参数：
1、u相电流瞬时值
2、u相桥臂占空比
3、母线电压
4、散热器温度

输出参数：
1、桥臂损耗
2、上下桥臂D、T结温估计值

备注说明：
1）函数计算基于平均电流，时间短误差小
2）其他两相类似处理

导通损耗估算

IGBT的导通损耗估算是一个复杂但至关重要的过程，它直接关系到IGBT的性能和寿命。为了准确估算导通损耗，我们需要综合考虑多个因素。

首先，导通电流是IGBT在导通状态下的关键参数，它直接决定了IGBT在导通过程中需要消耗的能量。导通电流越大，IGBT的导通损耗也相应增大。因此，在估算导通损耗时，必须准确测量或计算导通电流的大小。

其次， 导通时间也是影响IGBT导通损耗的重要因素。导通时间越长，IGBT在导通状态下的能量消耗就越多，从而导致导通损耗增加 。因此，我们需要了解IGBT的开关周期以及其在每个周期内的导通时间。

此外，IGBT自身的参数，如电流-电压特性、导通电阻等，也会对其导通损耗产生影响。这些参数决定了IGBT在导通过程中的能量消耗情况，因此在估算导通损耗时，必须考虑这些参数的影响。

在实际应用中，我们可以采用多种方法来估算IGBT的导通损耗。一种常用的方法是实验测量法，通过实际测量IGBT在不同导通电流和导通时间下的导通损耗，可以得到准确的数据。虽然这种方法成本较高，但能够提供最直接、最准确的结果。

其实际的测量图如下所示，IGBT导通时候，电极与发射极之间的电压迅速下降到几个伏特，因为有Vce故产生损耗，有相关字资料可以看到Vce和通过IGBT的电流Ic有关

可以看到当结温固定时候，Ic和Vce的关系是非线性的，可以通过预存表格的方法进行查表插值，进而乘以经过IGBT的电流估算损耗，二极管的特性与三极管不一样，需要分开处理。

其算法流程如下所示：

输入参数：

• • u相电流瞬时值
  • u相上桥，下桥IGBT通过电流值（均值）
  • u相上桥，下桥二极管通过电流值（均值）

输出参数：

• • 上下桥臂D,T导通损耗值

备注说明：

• • 通过查表可以获得当前器件电流下的导通压降，然后由导通压降*流过电流得到导通损耗。

其流程如下所示：

开关损耗估算

在IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实际应用中，由于其并非理想开关，在开通和关断的瞬间，电压和电流会存在重叠区域，这直接导致了开通损耗和关断损耗的产生，如下图所示。这一重叠现象是IGBT工作特性中非理想因素的一个直观体现。

由于IGBT的开关过程相当复杂，难以通过简单的公式进行精确描述，因此在实际应用中，我们通常采用合理的近似算法来估算其开关损耗。

如图所示 ，IGBT手册中提供了在Vce（集电极-发射极电压）等于400V时，不同电流水平下的开关损耗数据。当实际工作电压不等于400V时，我们可以通过查表法，利用给定的比例系数进行换算，以得到实际电压下的开关损耗值。

在计算开关损耗时，我们需要进行两次查表操作。首先，根据电流值查表得到单次开关的损耗值；其次，再根据母线电压值查表得到相应的比例系数。将这两个值相乘，即可得到单次开关的实际损耗值。

值得注意的是，IGBT手册中给出的开关损耗数据是以能量形式表示的，而非功率。因此，在将其应用于实际计算时，我们需要进行相应的转换。

例如，如果在一个1毫秒的时间段内有10个开关周期，那么我们应该首先将单次开关损耗值乘以10，然后再除以0.001秒（即1毫秒），以得到该时间段内的平均功率损耗值。简而言之，就是将单次开关损耗值乘以10000（即10/0.001）进行转换。

此外，二极管的损耗与三极管的损耗存在差异。对于二极管而言，其损耗通常只通过一个表格给出，而不像三极管那样分为开通和关断两个表格。

然而，在处理二极管损耗时，我们仍然可以采用与三极管相似的查表法和转换方法。如上图所示，二极管的损耗通常比三极管要小一些。

同时，因为电流方向不同关系到电流流经不同的器件，故计算开关损耗时候，也需要根据电流方向进行不同的处理，当然在具体的场景中也不一样。

其开关损耗的核心算法如下所示：

输入参数：
1、u相电流瞬时值
2、u相上桥、下桥IGBT通过电流值（均值）
3、u相上桥、下桥二极管通过电流值（均值）

输出参数：
1、上下桥臂D,T开关损耗值

备注说明：

• 1. 只需计算有电流通过的器件的损耗功率，无电流通过的器件无需计算损耗。
  2. 根据电流方向计算损耗，负值电流需取绝对值。
  3. 器件的总损耗功率为开关损耗与导通损耗之和。

结温估算

要估算结温，需综合考虑开关损耗、导通损耗以及散热器温度等关键参数。具体步骤如下：

首先，精确测量开关损耗、导通损耗和散热器温度等参数，确保数据的准确性和可靠性。这些参数反映了电路中的能量损失和元件的温度状态。

接着，基于收集到的数据，建立一个结温估算模型。该模型应能综合考虑开关损耗、导通损耗和散热器温度对结温的影响，并通过数学公式或算法进行计算。在此过程中，需确定器件的结到壳热阻（Rth(j-c)）和散热器热阻（Rth(c-a)），进而计算出总热阻Rth(j-a)。

然后，根据建立的模型，调整相关参数以反映实际电路元件的热特性。这些参数可能包括热阻、热容量和热传导系数等，它们对结温的估算结果具有重要影响。

随后，通过实验验证模型的准确性，并根据实验结果对模型进行优化。通过比较实验数据和模型预测结果，可以评估模型的性能，并根据需要进行参数调整和模型改进。

最后，一旦模型验证通过并优化完毕，即可将其应用于实际生产或测试中。同时，需定期监控结温的变化情况，并根据需要对模型进行更新和维护，其算法的流程如下所示：

输入参数：

• • 器件开关损耗：反映了器件在开关动作时产生的能量损失。
  • 器件导通损耗：表示器件在导通状态下由于电阻等因素产生的能量损失。
  • 散热器温度：当前散热器的温度值，作为计算温度估计值的参考。

输出参数：

• • 上下桥臂D、T温度估计值：基于输入参数计算得出的上下桥臂中D和T器件的温度估计值。

特点与说明：

• • IGBT温度估计示例：虽然以估计IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的温度为例，但同样的方法也适用于二极管的温度估计，只是两者使用的Foster模型参数不同。
  • 温度估计顺序与算法：在一个桥臂上，四个器件的温度估计按顺序进行，且每个器件的温度估计都使用相同的算法，确保了结果的一致性和准确性。

IGBT的结温相关参数标定

根据以上的流程，可以在实战中进行结温的估算，但其计算过程中需要输入相关测量参数或标定参数。

测量参数：

测温点的布置如下图所示：

IGBT Zj-ntc参数标定：

如何通过IGBT芯片的Vce参数间接测量其结温，并进一步得到Zj-ntc的关系。具体描述如下：

在一定温度范围内，IGBT芯片的Vce参数（集电极到发射极的电压）与结温之间存在近似线性的关系。这意味着， 随着温度的升高或降低，Vce参数会相应地以线性方式变化。利用这一特性，我们可以通过测量Vce参数的变化来间接推算出IGBT芯片的结温。

进一步地，根据测量得到的结温以及我们测试得到的Tntc（可能是某种温度传感器或相关参数）之间的对应关系，可以建立起它们之间的联系。 这种对应关系使我们能够通过已知的Tntc值来推断结温，或者反过来，通过已知的结温来得到Tntc的值。

最终，通过这些对应关系，我们可以得到Zj-ntc的关系。这里的Zj-ntc可能指的是与热传导或热阻相关的某个参数或指标。

温度系数提取：

在IGBT芯片处于小电流的条件下，实验者选择Vce作为衡量温度变化的热敏参数。为了探究Vce随温度的变化规律，实验者使用了加热台对IGBT模块进行加热。在加热过程中，实验者精心记录了不同温度下IGBT模块的Vce值。 这些记录的数据随后被用来拟合出一条Vce与Tj（结温度）之间的线性关系曲线。

这条线性曲线直观地反映了Vce随温度变化的趋势，为分析IGBT模块的热特性提供了重要依据。通过这条曲线，我们可以更深入地了解IGBT模块在不同温度下的工作表现，进而为其热设计和可靠性优化提供有力支持。

Zj-ntc参数提取：

IGBT模块的测试流程。首先，IGBT模块被安装在水道上，并通过开通大电流源进行加热，以确保其结温达到稳定状态。一旦结温稳定，大电流源被断开，同时，使用示波器记录Vce电压（集电极-发射极电压）和NTC（负温度系数热敏电阻）传感器的采样电压。

接下来，测试进入下一个阶段，加热大电流源的状态被转换到小电流导通。在这一阶段，利用已经测量的Vce值， 结合NTC电压与NTC温度之间的对应关系，可以推算出结温Tj（结温）的动态波形。同时，根据这一对应关系，还可以得到Tntc（NTC温度）。

为了得到Zj-ntc曲线，使用公式(Tj – Tntc) / (f * Vce)来计算一个中间值，其中f是某个系数。将计算得到的这些值绘制成曲线，然后使用拟合工具将该曲线拟合成Zj-ntc函数。

综上所述，描述了一个完整的IGBT模块测试流程，包括安装与预热、数据记录、状态转换与测量以及数据处理与拟合等步骤。通过这一流程，可以得到IGBT模块的Zj-ntc函数，这对于评估IGBT模块的热性能，计算结温，具有重要意义。

以下是收集的一些结温估算资料一并奉上

资料展示1

结温估算模型

大厂模型

工具版本： 2018b 以上

模型状态： 脚本可以运行仿真，模型进行结温计算

结温估算仿真软件

仿真软件界面

导出的报表

软件使用说明

学习了解结温估算分享的资料基本就够了，具体内容请自行下载学习。

文章来源：新能源控制系统及MDB开发

资料整理：CN知EV

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