一种电动汽车IGBT功率模块过热及功率循环控制方法与流程

一种电动汽车igbt功率模块过热及功率循环控制方法
技术领域
1.本发明属于igbt功率模块控制技术领域，涉及igbt功率模块过热及功率循环控制方法，尤其是一种电动汽车igbt功率模块过热及功率循环控制方法。


背景技术：

2.igbt(insulated gate bipolar transistor)，绝缘栅双极型晶体管功率模块具有导通电阻低、高耐压等优点，广泛应用于交流电机、变频器、开关电源、新能源等领域。igbt是电动汽车中的核心器件之一,是动力系统的重要组成部分。igbt功率模块在电动汽车应用时失效的原因通常有过热烧毁及高低功率循环损坏，高频、高功率等非线性工作方式将导致igbt模块过热和高低功率循环，若散热不好，过温保护不及时，或经过一定次数的功率循环后会导致散热和流通能力下降，器件烧毁，影响igbt使用寿命。因此，对igbt功率模块的可靠性提出了更高的要求。
3.经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种电动汽车igbt模块过热及功率循环控制方法，通过限制igbt模块中的热机械应力来提高igbt的可靠性，控制igbt过热和损耗来抑制功率循环故障。
5.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种电动汽车igbt功率模块过热及功率循环控制方法，包括以下步骤：
7.步骤1、分析电动汽车igbt功率模块热故障参数，通过调节开关频率和输出电流两个变量，控制功率损耗的幅度，调节igbt功率模块内部的温度，进而对igbt功率模块进行过热控制；
8.步骤2、对igbt功率模块进行高功率循环和低功率循环控制；
9.而且，所述步骤1的具体步骤方法为：
10.(1)对控制区域进行定义，第一组区域包含正常运行区域，过热区域和关断区域，第一组区域集合基于平均运行温度t
m
以保护模块免受过热故障；第二组区域包含高功率循环区域和低功率循环区域，第二组区域集基于测量结温δt
j
的变化，以保护模块免受功率循环故障的影响；
11.其中，在正常运行区域，电流阀值设为额定电流的1.8倍，开关频率设为额定值15khz；
12.(2)过热区域定义为模块温度超过额定工作温度的区域，设计两个比例积分pi调节器，如式(1)和式(1)所示，以降低开关频率和电流，并防止结温升高到115℃以上：取开关频率控制器和电流阀值控制器之间很小的温差值作为控制变量，如式(3)所示，一方面降低开关频率，另一方面减少输出电流对负载的影响：
[0013][0014][0015][0016]
其中，表示开关频率值，i
lim
表示开关电流值，k
a
和k
ia
为比例积分系数，表示平均结温值，δt
j
表示测量结温值。
[0017]
(3)关断区域设计用于保护驱动器免受极端运行条件导致的过热情况的影响，当达到最小开关频率和最小电流阀值并且测量温度超过125℃时关断驱动器输出。
[0018]
而且，所述步骤2的具体方法为：
[0019]
(1)当测量结温值超出设定值 15℃时，高功率循环控制器将启动，电流阀值下限根据驱动器的最低可接受性能设置；
[0020]
(2)当测量结温值的负偏差值低于
‑
15℃，会在负载需求减少时激活低功率循环区域，开关频率的调节由pi控制回路实现；
[0021]
(3)在实施功率循环控制期间，综合考虑δt
j
对负载周期的依赖性和与平均结温有关的计算限制，将功率循环控制分为两部分，通过控制相对于平均结温值的结温来完成快速动态调节，在动态调节期间，时间差值和瞬时功率循环温差均受到负载变化的控制。
[0022]
而且，在步骤2的第(3)步增加滤波器环节，对应公式(4)所示，在 15℃和
‑
15℃之间调节，对应δt
j
为30℃：
[0023][0024]
本发明的优点和有益效果：
[0025]
本发明提出一种电动汽车igbt功率模块过热及功率循环控制方法，通过本发明控制电动汽车igbt模块的热运行性能，可以减少功率模块由于自身持续运行在物理极限情况下而导致的过热和功率循环故障。同时增加了电力电子功率模块的过载能力，尤其是在瞬态过程中，间接降低了功率半导体器件的额定值，从而更好地利用现有器件，避免了系统的过度设计，降低了系统维护成本和缺陷发生率，从而提高igbt功率模块的可靠性。
附图说明
[0026]
图1是本发明的控制方法区域划分图；
[0027]
图2是本发明的过热区域控制方法框图；
[0028]
图3是本发明的高/低功率循环区域控制方法框图。
具体实施方式
[0029]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0030]
本发明考虑平均温度t
m
和温度变化量δt
j
与过热和功率循环故障之间的密切关系，设计一种用于调节这两个变量的基于区域的控制方法，来缓解热机械应力并保护芯片免于过热和功率循环故障。
[0031]
一种电动汽车igbt功率模块过热及功率循环控制方法，包括以下步骤：
[0032]
步骤1、分析电动汽车igbt功率模块热故障参数，通过调节开关频率和输出电流两个变量，控制功率损耗的幅度，调节igbt功率模块内部的温度，进而对igbt功率模块进行过热控制；
[0033]
所述步骤1的具体步骤方法为：
[0034]
对控制区域进行定义，第一组区域包含正常运行区域，过热区域和关断区域，第一组区域集合基于平均运行温度t
m
以保护模块免受过热故障；第二组区域包含高功率循环区域和低功率循环区域，第二组区域集基于测量结温δt
j
的变化，以保护模块免受功率循环故障的影响；
[0035]
其中，(1)在正常运行区域，电流阀值设为额定电流的1.8倍，开关频率设为额定值15khz；
[0036]
(2)过热区域定义为模块温度超过额定工作温度的区域，设计两个比例积分pi调节器，如式(1)和式(1)所示，以降低开关频率和电流，并防止结温升高到115℃以上：取开关频率控制器和电流阀值控制器之间很小的温差值作为控制变量，如式(3)所示，一方面降低开关频率，另一方面减少输出电流对负载的影响：
[0037][0038][0039][0040]
其中，表示开关频率值，i
lim
表示开关电流值，k
a
和k
ia
为比例积分系数，表示平均结温值，δt
j
表示测量结温值。
[0041]
(3)关断区域设计用于保护驱动器免受极端运行条件导致的过热情况的影响，当达到最小开关频率和最小电流阀值并且测量温度超过125℃时关断驱动器输出。
[0042]
在本实施例中，图1所示为控制方法的区域示意图。第一组区域包含正常运行区域，过热区域和关断区域。这个区域集合基于平均运行温度tm以保护模块免受过热故障。第二组区域包含高功率循环区域和低功率循环区域。该区域集基于测量结温δtj的变化，以保护模块免受功率循环故障的影响。
[0043]
图2所示为过热区域控制方法框图。在正常运行区域，电流阀值设为额定电流的1.8倍，开关频率设为额定值15khz。过热区域定义为模块温度超过额定工作温度的区域，设计两个比例积分(pi)调节器，分别对应公示(1)、(2)，以降低开关频率和电流，并防止结温升高到115℃以上。图2取开关频率控制器和电流阀值控制器之间很小的温差值作为控制变
量，如公式(3)所示，一方面降低开关频率，另一方面减少输出电流对负载的影响。关断区域设计用于保护驱动器免受极端运行条件导致的过热情况的影响。当达到最小开关频率和最小电流阀值并且测量温度超过125℃时关断驱动器输出。
[0044]
步骤2、对igbt功率模块进行高功率循环和低功率循环控制；
[0045]
所述步骤2的具体方法为：
[0046]
(1)当测量结温值超出设定值 15℃时，高功率循环控制器将启动，电流阀值下限根据驱动器的最低可接受性能设置；
[0047]
(2)当测量结温值的负偏差值低于
‑
15℃，会在负载需求减少时激活低功率循环区域，开关频率的调节由图2功率循环区域控制器框图中pi控制回路实现；
[0048]
(3)在实施功率循环控制期间，综合考虑δt
j
对负载周期的依赖性和与平均结温有关的计算限制，将功率循环控制分为两部分，通过控制相对于平均结温值的结温来完成快速动态调节，在动态调节期间，时间差值和瞬时功率循环温差均受到负载变化的控制，为了提高可靠性并保持与功率循环数据的一致性，增加了滤波器环节，对应公式(4)所示，在 15℃和
‑
15℃之间调节，对应δt
j
为30℃。
[0049][0050]
在本实施例中，设计一种功率循环控制策略。当达到最小开关频率和最小电流阀值并且测量温度超过125℃时关断驱动器输出。为了增加功率循环控制器的热容量空间，实施了高功率循环和低功率循环低控制法。当温度超出设定值150℃，高功率循环控制器将启动。电流阀值下限是根据驱动器的最低可接受性能设置的。当温度负偏差值低于设定值150℃，会在负载需求减少时激活低功率循环区域。
[0051]
在实施功率循环控制期间，有两个因素限制了合适的控制变量的产生。一个是要考虑δt
j
对负载周期的依赖性，另一个是与平均结温t
m
有关的计算限制。为了解决这些限制，功率循环控制分为两部分。通过控制相对于平均结温值的结温来完成快速动态调节。动态调节期间，时间差值和瞬时功率循环温差均受到负载变化的控制，并满足等式：为了提高可靠性并保持与功率循环数据的一致性，在 15℃和
‑
15℃之间调节，对应δt
j
为30℃。
[0052]
在本实施例中，图3所示为高/低功率循环区域控制方法框图。为了增加功率循环控制器的热容量空间，实施了高功率循环和低功率循环低控制法。当超出设定值 15℃时，高功率循环控制器将启动。电流阀值下限是根据驱动器的最低可接受性能设置的。在实验室系统中，这个下限值设置为1.0p.u.(对应有效值为60a)。当的负偏差值低于
‑
15℃，会在负载需求减少时激活低功率循环区域。开关频率的调节由图2功率循环区域控制器框图中pi控制回路实现。在实施功率循环控制期间，有两个因素限制了合适的控制变量的产生。一个是要考虑δt
j
对负载周期的依赖性，另一个是与平均结温有关的计算限制。为了解决这些限制，功率循环控制分为两部分。通过控制相对于平均结温值的结温来完成
快速动态调节。动态调节期间，时间差值和瞬时功率循环温差均受到负载变化的控制。为了提高可靠性并保持与功率循环数据的一致性，增加了滤波器环节，对应公式(4)所示，在 15℃和
‑
15℃之间调节，对应δt
j
为30℃。
[0053][0054]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。