面向目标结壳温循环的风冷功率循环参数优化方法

本发明属于风冷平台参数优化，涉及面向目标结壳温循环的风冷功率循环参数优化方法。

背景技术：

1、功率半导体模块是新能源发电、电动汽车、轨道交通、工业变频器、储能变换器以及柔性直流输电等功率电子系统中的核心器件。功率模块在实际运行过程中通常承受周期性电流载荷和热载荷，其结温、壳温以及模块内部温度分布随运行工况不断变化。为了评估功率模块在热循环条件下的可靠性，通常需要采用功率循环试验平台对功率模块进行周期性加热和冷却，使其产生可控的温度循环。

2、功率循环试验中，常用的温度循环指标包括最高结温、最低结温、结温摆幅、最高壳温、最低壳温、壳温摆幅、导通时间、关断时间以及循环周期。其中，结温反映功率芯片侧的热响应，壳温反映模块底部、铜基板或散热界面侧的热响应。对于不同试验需求，实验人员可能需要设定不同的结温上限、结温下限、壳温上限、壳温下限以及温度摆幅。因此，功率循环平台的关键功能不仅是实现升温和降温，而是能够在安全约束下稳定产生目标结温/壳温循环。

3、现有功率循环平台通常采用水冷、液冷或强制风冷方式进行散热。水冷和液冷平台冷却能力强，但系统结构复杂，需要冷却液、水泵、管路、换热器、流量控制单元和温控系统，成本较高，维护复杂。强制风冷功率循环平台具有结构简单、成本较低、维护方便和部署灵活等优点，适合实验室功率循环试验平台搭建、模块样机验证以及多模块对比试验。

4、然而，强制风冷功率循环平台的目标温度循环生成能力受到多因素共同影响，包括加热电流、功率器件导通损耗、导通时间、关断时间、风扇转速、散热器热容、散热器有效换热面积、散热器到空气热阻以及环境温度等。增大加热电流可以提高热输入，但会增加最高结温和最高壳温，带来过温风险；延长导通时间可以提高温度上限，但会增加循环周期；延长关断时间可以降低最低温度，但会降低试验效率；提高风扇转速可以增强冷却能力，但可能导致最高温度达不到目标；增大散热器尺寸可以提高换热面积，但同时增加散热器热容，可能削弱周期温度摆幅。

5、目前，强制风冷功率循环平台的参数设置多依赖经验调试。实验人员通常先选定散热器和风扇，再通过多次试验调整加热电流、导通时间、关断时间和风扇转速，使结温或壳温曲线逐步接近目标。这种方式存在以下不足：一是实验前难以判断目标结温/壳温循环是否能够由当前平台实现；二是当目标温度循环无法实现时，难以判断限制因素来自电流能力不足、散热器热容过大、风冷过强、风冷不足还是开关时间设置不合理；三是难以同时兼顾目标温度循环误差、循环周期、安全裕度、电源负担、风扇负担和散热器尺寸；四是调试次数多，平台参数设计效率低。

6、因此，需要提供一种面向目标结温/壳温循环的强制风冷功率循环平台参数优化方法，用于在试验前建立平台热响应模型，判断目标温度循环是否可达，并自动求解满足目标温度循环和安全约束的平台参数组合。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供面向目标结壳温循环的风冷功率循环参数优化方法，解决了现有技术中存在的强制风冷功率循环平台依赖经验调试、目标温度循环可达性难以判断、参数设计效率低以及难以兼顾温度循环精度、周期效率、安全裕度和平台负担的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，面向目标结壳温循环的风冷功率循环参数优化方法，包括：

3、步骤一、获取强制风冷功率循环平台参数；

4、步骤二、设定目标温度循环指标；

5、步骤三、建立加热电流与功率损耗之间的映射关系；

6、步骤四、建立周期功率输入模型；

7、步骤五、建立功率模块结温/壳温联合热响应模型；

8、步骤六、建立强制风冷散热器动态模型；

9、步骤七、计算实际结温/壳温循环输出；

10、步骤八、构建目标温度循环可达域；

11、步骤九、建立多目标优化函数；

12、步骤十、采用多目标粒子群优化算法求解平台参数；

13、步骤十一、根据实际需求选定平台参数方案并进行平台参数设定。

14、本发明的特点还在于：

15、步骤一包括：强制风冷功率循环平台参数包括功率模块参数、恒流电源电流范围、导通时间范围、关断时间范围、风扇转速范围、散热器热参数、散热器几何参数、风冷通道参数以及环境温度；功率模块参数包括模块额定电压和额定电流、导通压降特性、结到壳瞬态热阻抗参数和壳到散热器等效热阻抗参数；

16、步骤二包括：目标温度循环指标包括目标最高结温、目标最低结温、目标结温摆幅、目标最高壳温、目标最低壳温和目标壳温摆幅。

17、步骤三包括：

18、功率模块导通阶段的损耗功率表示为：

19、，

20、其中，为损耗功率，为加热电流，为结温，为功率器件饱和压降；

21、步骤四包括：功率循环周期功率输入模型为：

22、，

23、其中，为输入损耗功率，为导通阶段功率损耗，为关断阶段残余功率，为导通时间，为关断时间，为循环周期。

24、步骤五包括：

25、功率模块结温/壳温联合热响应模型表示为：

26、，

27、，

28、其中，为结温，为壳温，为输入损耗功率，为散热器等效温度，为结到壳瞬态热阻抗，为壳到散热器等效热阻抗，符号表示卷积运算。

29、步骤六包括：

30、强制风冷散热器动态模型为：

31、，

32、其中，为散热器等效热容，为散热器等效温度，为输入损耗功率，为散热器到空气等效热阻，为环境温度；

33、若固定散热器和风冷通道条件时，散热器到空气等效热阻与风扇转速之间的关系表示为：

34、，或，

35、其中，为散热器到空气等效热阻，为风扇转速或pwm占空比，、、为通过实验标定获得的参数；

36、若散热器宽度作为优化变量时，散热器等效热容表示为：

37、，

38、其中，为散热器等效热容，为散热器宽度，为有效热容系数，为散热器材料密度，为散热器材料比热容，为散热器截面面积；

39、散热器到空气等效热阻表示为：

40、，

41、其中，为散热器到空气等效热阻，为散热器宽度，为风扇转速或pwm占空比，为与散热器宽度和风扇转速相关的对流换热系数，为与散热器宽度相关的有效换热面积。

42、步骤七包括：

43、根据步骤三至步骤六建立的模型，计算功率循环周期稳态下的结温、壳温和散热器温度，并提取实际温度循环输出：

44、，

45、其中，为实际温度循环输出向量；为平台设计参数组合；为一个循环周期内的最高结温；为一个循环周期内的最低结温；为一个循环周期内的结温摆幅且；为一个循环周期内的最高壳温；为一个循环周期内的最低壳温；为一个循环周期内的壳温摆幅且；

46、平台设计参数组合，

47、其中，为散热器宽度，为加热电流，为导通时间，为关断时间，为风扇转速或pwm占空比。

48、步骤八包括：构建目标温度循环可达域并判断目标温度循环是否可达，若目标温度循环误差满足设定要求，则目标温度循环可达，若目标温度循环误差不满足设定要求，则目标温度循环不可达；

49、根据平台设计参数组合和模型参数集合构建目标温度循环可达域：

50、，

51、其中，为目标温度循环可达域；为一个循环周期内的最高结温；为一个循环周期内的最低结温；为一个循环周期内的结温摆幅；为一个循环周期内的最高壳温；为一个循环周期内的最低壳温；为一个循环周期内的壳温摆幅；为平台设计参数组合；为模型参数集合；

52、模型参数集合，

53、其中，为电流-损耗映射函数；为结到壳瞬态热阻抗；为壳到散热器等效瞬态热阻抗；为散热器等效热容；为散热器到空气等效热阻；为环境温度；

54、当目标温度循环采用精确目标形式时，目标温度循环误差为：

55、，

56、其中，为目标温度循环误差，为权重系数，为实际温度循环输出中的第个指标，为目标温度循环指标中的第个目标值；

57、当目标温度循环采用阈值目标形式时，目标温度循环误差为：

58、，

59、其中，为目标温度循环误差，和为权重系数，为结温摆幅，为壳温摆幅，为结温摆幅要求值，为壳温摆幅要求值。

60、步骤九包括：以目标温度循环误差、周期时间、安全风险和平台负担为优化目标，建立多目标优化函数：

61、，

62、其中，为多目标优化的目标函数向量，为对应目标温度循环误差的第一函数子目标，为对应周期时间的第二函数子目标，为对应安全风险的第三函数子目标，为对应平台负担的第四函数子目标；

63、第一函数子目标，其中，为目标温度循环误差；

64、第二函数子目标，其中，为导通时间，为关断时间；

65、第三函数子目标，其中，为一个循环周期内的最高结温，为结温安全上限，为一个循环周期内的最高壳温，为壳温安全上限；

66、第四函数子目标，其中，、、为权重系数，为加热电流，为最大允许加热电流，为风扇转速或pwm占空比，为最大允许风扇转速或pwm占空比，为散热器宽度，为最大允许散热器宽度。

67、步骤十包括：

68、步骤10.1、初始化粒子群和外部非支配解档案；

69、步骤10.2、对每个粒子对应的平台参数组合进行电热响应计算，根据步骤三至步骤七计算其对应的实际温度循环输出；

70、步骤10.3、根据步骤九计算每个粒子的多目标函数值；

71、步骤10.4、根据非支配关系更新外部非支配解档案；

72、步骤10.5、根据拥挤距离或网格密度从外部非支配解档案中选择全局引导解；

73、步骤10.6、更新粒子速度和位置；

74、步骤10.7、重复步骤10.2至步骤10.6，直至满足迭代终止条件；

75、步骤10.8、输出pareto最优平台参数组合。

76、步骤十一包括：

77、根据实际需求在pareto最优平台参数组合中选定不同偏好的平台参数方案，将选定方案中参数设定到强制风冷功率循环平台中进行功率循环试验；

78、平台参数方案至少包括加热电流、导通时间、关断时间、风扇转速。

79、本发明的有益效果是：

80、提高功率循环平台参数设计效率：本发明能够根据目标结温/壳温循环要求自动求解平台参数，减少人工反复调试次数；

81、提高目标温度循环达成精度：本发明通过结温/壳温联合热响应模型和多目标优化算法，使平台输出的温度循环更接近目标要求；

82、能够在试验前判断目标温度循环是否可达：本发明通过目标温度循环可达域判断当前平台参数范围内是否存在满足目标要求的参数组合；

83、提高平台运行安全性：本发明将最高结温和最高壳温安全限制纳入优化目标或约束，避免参数选择导致过温风险；

84、兼顾试验效率和平台负担：本发明在优化过程中同时考虑循环周期、电源负担、风扇负担和散热器尺寸，使参数方案更适合实际平台应用；

85、适用范围广：本发明适用于固定散热器和风冷通道下的运行参数优化，也适用于散热器宽度参与的新平台设计参数优化。