(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111437659.X (22)申请日 2021.11.29 (71)申请人 国网浙江省电力有限公司舟山供电 公司 地址 316021 浙江省舟山市定海区临城街 道定沈路6 69号 (72)发明人 刘黎　乔敏　胡俊华　王勇　 桑清城　杨勇　詹志雄　韩幸军　 李剑波　戴杰　 (74)专利代理 机构 浙江翔隆专利事务所(普通 合伙) 33206 代理人 王晓燕 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于 特性曲线的MMC子模块IGBT通态损 耗分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于特性曲线的MMC子模 块IGBT通态损耗分析方法， 涉及电力电子器件建 模与可靠性技术领域。 本发明包括步骤： A： 基于 IGBT器件数据手册， 获取IGBT输 出特性及二 极管 正向特性曲线 图， 并对曲线特性参数进行提取。 B： 基于最小二乘法对IGBT输出特性及二极管正 向特性曲线参数采用对数函数进行拟合分析， 获 取特性参数关系表达式。 C： 对周期电流进行分段 划分， 求解一个周期电流内不同分段区域中对应 器件的通态损耗。 构建IGBT等效热网络模型。 构 建IGBT通态损耗及结温迭代估计模型。 本技术方 案克服了传统基于线性拟合获取导通压降误差 较大的问题， 综合考虑了器件电流、 导通信号及 壳温等信息， 并结合结温误差迭代， 实现了器件 损耗估算。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 114091286 A 2022.02.25 CN 114091286 A 1.一种基于特性曲线的M MC子模块IGBT通态损耗分析 方法， 其特 征在于包括以下步骤： 1)基于数据手册进行特性参数提取： 基于IGBT数据手册， 分别获取IGBT输出特性曲线 图和二极管正向特性曲线图， 实现IGBT和二极管 特性曲线参数提取； 2)特性曲线参数拟合： 基于最小二乘法对提取到IGBT输出特性曲线和二极管正向特性 参数进行拟合分析， 并分别输出IGBT和二极管 特性曲线关系表达式； 3)考虑结温迭代的损耗估计： 301)基于MMC子模块的投切模式和电流方向， 对周期电流进行分段划分， 明确分段 区域 内电流流经的器件为IGB T还是二极管， 求解一个周期电流内不同分段区域中对应器件的通 态损耗； 302)基于IGBT模块内部结构特性和电热比拟相关理论， 构建IGBT等效热网络模型； 303)将综合信息作为功率损耗模型、 热网络模型输入， 构建IGBT通态损耗结温迭代估 计模型， 通过IGB T通态损耗结温迭代估计模 型得到估计结温， 综合信息包括电流、 导通信号 及壳温； 4)根据估计结温， 得到对应的通态损耗， 以判断IGBT的工作可靠性。 2.根据权利 要求1所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法， 其特 征在于： 在步骤1)中， 特性曲线参数提取包括 步骤： 101)对IGBT的输出特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位， 以X轴参数0.5V/10， 即 0.05V作为取点 步长， 依次进行 取点操作， 实现IGBT输出 特性参数提取； 102)对二极管正向特性曲线图中的X轴和Y轴刻度进行定位， 以X轴参数0.5V/10， 即 0.05V作为取点 步长， 依次进行 取点操作， 实现二极管正向特性 参数提取。 3.根据权利 要求2所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法， 其特 征在于： 在步骤2)中， 包括 步骤： 201)假设IGBT特性曲线函数关系形如下式： f(x)＝a*l og(x)+b*x+c 基于最小二乘法相关理论对IGBT特性曲线中集电极电流Ic和饱和压降Vce之间的关系 进行函数拟合， 从而得到IGBT特性曲线表达式如下： Vce＝a(Tj)*log(Ic)+b(Tj)*Ic+c(Tj) 式中， a(Tj)、 b(Tj)、 c(Tj)均为拟合系数； 202)假设二极管 特性曲线函数关系形如下式： f(x)＝d*l og(x)+e*x+f 基于最小二乘法相关理论对二极管特性曲线中正向电流IF和压降VF之间的关系进行函 数拟合， 从而得到二极管 特性曲线表达式如下： VF＝d(Tj)*log(IF)+e(Tj)*IF+f(Tj) 式中， d(Tj)、 e(Tj)、 f(Tj)均为拟合系数。 4.根据权利 要求3所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法， 其特 征在于： 在步骤301)， 采用典型MMC子模块拓扑结构， 典型MMC子模块包括两个IGBT、 两个二 极管及一个电容器C， 其中， 两个IGBT分别为VT1和VT2， 两个二极管分别为VD1和VD2； 规定流 入子模块的电流Ism方向为正， 反之为负； 为方便分析， 将MMC子模块在一个电流周期内的投 切模式进行划分；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114091286 A 2当电流方向为正时， 若子模块为投入状态(t1～t2)， 则电流流经VD1； 若子模块为切出状 态(t2～t3)， 则电流流经VT2； 当电流方向为负时， 若子模块为投入状态(t3～t4)， 则电流流 经VT1； 若子模块为切出状态(t4～t5)， 则电流流经VD2； 则子模块在一个电流周期(t1～t5) 内通态损耗计 基于下式进行求 解； IGBT通态损耗： 二极管通态损耗： 总损耗： Ptot＝PT+PD 式中， PT、 PD分别为IGBT、 二极管在一个电流周期内的平均通态损耗， PTcon、 PDcon分别为 IGBT、 二极管的瞬时损耗， Ism为MMC子模块电流。 5.根据权利 要求4所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法， 其特 征在于： 在步骤302)中， 采用四阶Foster模型来对IGBT模块的热网络进行等效， 设R1‑4为结 到壳的热阻； C1‑4为结到壳的热容； Ptot为总功率损耗； 芯片 ‑管壳的Foster热网络模型可分 为四层， 故热阻公式可表达如下： 式中， Ri为热网络模型中第i阶的热阻值， t为 运行时间， τi为时间常数； 综上所述， IGBT模块的结温可表示 为 Tj＝Ptot*Zj‑c+Tc 式中， Ptot为IGBT模块总的损耗功率， Zj‑c为结到壳的热阻抗。 6.根据权利 要求5所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法， 其特 征在于： 在步骤3 03)中， 包括 步骤： 3031)设置初始结温为Tj0， 结合电流及IGBT特性曲线， 求得初始通态压降； 3032)将电流、 通态压降、 导通信号及壳温信息作为IGBT通态损耗及热网络模型输入， 从而实现IGBT结温估计； 3033)将结温估计值Tjest用于修正初始设置值Tj0， 实现循环迭代， 直到二者误差小于ε， 进而输出结温估计值； 最终输出的结温可进一 步作为损耗 求解过程的输入。 7.根据权利 要求6所述的一种基于特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗分析方法， 其特 征在于： 设置初始结温Tj0为125℃， 误差 ε为0.0 5℃。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114091286 A 3