留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略

杨尚明 马其华

杨尚明, 马其华. 基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374
引用本文: 杨尚明, 马其华. 基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374
YANG Shangming, MA Qihua. Dynamic IGBT thermal management strategy based on real-time junction temperature estimation[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374
Citation: YANG Shangming, MA Qihua. Dynamic IGBT thermal management strategy based on real-time junction temperature estimation[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(4): 387-396. doi: 10.12299/jsues.22-0374

基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略

doi: 10.12299/jsues.22-0374
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51705306)
详细信息
    作者简介:

    杨尚明(1996−),男,在读硕士,研究方向为电机设计与控制研究. E-mail:744653800@qq.com

    通讯作者:

    马其华(1980−),男,副教授,博士,研究方向为新能源汽车电控和轻量化研究. E-mail:mqh0386@sues.edu.cn

  • 中图分类号: TM464

Dynamic IGBT thermal management strategy based on real-time junction temperature estimation

  • 摘要: 绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是电动汽车重要的能源传输和转换元件. 但IGBT长期在变化工况下工作,导致热负荷较高,严重影响其使用寿命. 通过建立IGBT结温估计模型进行实时结温观测,定性分析IGBT结温与开关频率、母线电压之间的关系. 为降低IGBT在循环工况下的热负荷,提出一种IGBT结温区域控制策略,以控制最高结温和结温波动为目标,将控制区域进行划分,分别采用模糊控制和PI控制对开关频率和母线电压进行控制. 结果表明,在 NEDC工况下最高结温平均降低5.1 ℃,IGBT结温波动平均降低2.6 ℃,验证了该控制策略的有效性,提高了IGBT的可靠性和运行寿命.
  • 图  1  IGBT四阶Foster热网络模型

    Figure  1.  Model of IGBT fourth-order foster thermal network

    图  2  IGBT结温波动

    Figure  2.  IGBT junction temperature fluctuation

    图  3  电动汽车驱动控制系统

    Figure  3.  Electric vehicle drive control system

    图  4  逆变器联合控制Simulink模型

    Figure  4.  Inverter joint control simulink model

    图  5  电动汽车IGBT热管理试验台架

    Figure  5.  Electric vehicle IGBT thermal management test bench

    图  6  开关频率调制原理

    Figure  6.  Principle of switching frequency modulation

    图  7  不同开关频率下IGBT结温变化

    Figure  7.  IGBT junction temperature changes under different switching frequencies

    图  8  不同母线电压下IGBT结温变化

    Figure  8.  IGBT junction temperature changes under different bus voltages

    图  9  IGBT最高结温随开关频率和母线电压变化图

    Figure  9.  The maximum junction temperature of IGBT with switching frequency and busbar voltage variation diagram

    图  10  IGBT结温波动随开关频率和母线电压变化图

    Figure  10.  IGBT junction temperature fluctuation with switching frequency and busbar voltage variation diagram

    图  11  IGBT结温区域控制示意图

    Figure  11.  IGBT junction temperature area control diagram

    图  12  过热区域控制图

    Figure  12.  Overheated area control diagram

    图  13  IGBT过热区域调节过程

    Figure  13.  Regulation process of IGBT overheating region

    图  14  高/低功率循环区域控制图

    Figure  14.  High/low power cycle area control diagram

    图  15  高/低功率循环区域调节过程

    Figure  15.  High/low power cycle area regulation process

    图  16  IGBT控制前后结温图

    Figure  16.  IGBT control before and after junction temperature diagram

    表  1  部件热容参数

    Table  1.   Component heat capacity parameters

    部件项目参数
    电机绕组 材料
    质量/kg
    纯铜
    5
    电机外壳 材料
    质量/kg
    铸铝
    2
    电机转子 材料
    质量/kg
    密度/(${\rm{kg}} \cdot {{\rm{m}}^{ - 3} }$)
    材料热值/(${\rm{J }}\cdot {{\rm{kg}}^{ - 1} } \cdot {{\rm{K}}^{ - 1} }$)
    热导率/(${\rm{W}} \cdot {{\rm{m}}^{ - 1} } \cdot {{\rm{K}}^{ - 1} }$)
    环氧基树脂
    10
    2400
    1000
    130
    电机控制器半导体 材料
    质量/kg
    碳素钢
    1
    电机控制器外壳 材料
    质量/kg
    碳素钢
    2
    下载: 导出CSV

    表  2  电动汽车IGBT热管理模型验证结果

    Table  2.   Verification results of IGBT thermal management model for electric vehicle

    工况仿真温度/℃试验温度/℃相对误差/%
    电机转速
    1000 ${\rm{r}}/\min$,
    负载250 ${\rm{N}} \cdot {\rm{m}}$
    56.554.04.7
    电机转速
    2000 ${\rm{r}}/\min$,
    负载100 ${\rm{N}} \cdot {\rm{m}}$
    40.139.02.7
    电机转速
    5000 ${\rm{r}}/\min$,
    负载50 ${\rm{N}} \cdot {\rm{m}}$
    39.438.03.8
    下载: 导出CSV

    表  3  过热区域开关频率模糊控制规则表

    Table  3.   Table of fuzzy control rules for switching frequency in overheated area

    开关频率IGBT最高结温
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBNBNBNBNMNSNSZO
    NMNBNBNMNMNSZOZO
    NSNBNMNSNSZOZOPS
    ZONMNSNSZOZOPMPM
    PSNSNSZOPSPMPMPM
    PMNSZOPSPMPMPMPB
    PBZOPSPMPMPBPBPB
    下载: 导出CSV

    表  4  高/低功率循环区域开关频率模糊控制规则

    Table  4.   Fuzzy control rules for switching frequency in high/low power cycle regions

    开关频率IGBT结温波动
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBNBNBNBNMNSNSZO
    NMNBNMNMNMNSZOZO
    NSNMNMNSNSZOZOPS
    ZONMNSNSZOZOPMPM
    PSNSNSZOPSPMPMPM
    PMNSZOPSPMPMPMPB
    PBZOPSPMPMPBPBPB
    下载: 导出CSV
  • [1] MA M, SUN Z, YE W, et al. Method of junction temperature estimation and over temperature protection used for electric vehicle's IGBT power modules[J] . Microelectronics Reliability,2018,88/89/90:1226 − 1230.
    [2] HIRSCHMANN D, TISSEN D, SCHRODER S, et al. Reliability prediction for inverters in hybrid electrical vehicles[J] . IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(6):2511 − 2517. doi: 10.1109/TPEL.2007.909236
    [3] 周雒维, 王博, 张益, 等. 非平稳工况下功率半导体器件结温管理技术综述[J] . 中国电机工程学报,2018,38(8):2394 − 2407, 2549.
    [4] FALCK J, ANDRESEN M, LISERRE M. Active thermal control of IGBT power electronic converters[C]// Proceedings of Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Vienna: IEEE, 2016: 1 − 6.
    [5] LIANG W, CASTELLAZZI A. Temperature adaptive driving of power semiconductor devices[J] . IEEE,2010:1110 − 1114.
    [6] YU X X, ASHWIN M, WABNG H H, et al. Control of parallel-connected power converters for low-voltage microgrid: Part I: A hybrid control architecture.[J] . IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(12):2962 − 2970. doi: 10.1109/TPEL.2010.2087393
    [7] 黄守道, 陈叶宇, 刘平, 等. 基于频段导向的PWM逆变器主动热管理控制[J] . 电力自动化设备,2017,37(5):34 − 39.
    [8] BROECK C, RUPPERT L A, LORENZ R D, et al. Active thermal cycle reduction of power modules via gate resistance manipulation[C]//Proceedings of 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). San Antonio: IEEE, 2018: 1−6.
    [9] XIONG D, LI G, SUN P, et al. A hybrid modulation method for lifetime extension of power semiconductors in wind power converters[C]//Proceedings of 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Charlotte: IEEE, 2015: 2565−2570.
    [10] 魏云海, 陈民铀, 赖伟, 等. 基于IGBT结温波动平滑控制的主动热管理方法综述[J] . 电工技术学报,2022,37(6):1415 − 1430.
    [11] 毕长飞. 大功率直驱风电机组变流器的功率器件热负荷分析[J] . 机械设计与制造,2018(9):236 − 239.
    [12] 张益. 变流器中功率开关器件结温平滑研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2018.
    [13] WANG X, WANG X, XUN Y. An optimal DC bus voltage control method to improve the junction temperature of IGBTs in low speed operations of traction applications[C]//Proceedings of Power Electronics Conference. Auckland: IEEE, 2016: 1−6.
    [14] 周朋飞, 陈权, 李国丽. T型三电平逆变器功率器件结温控制研究[J] . 电气传动,2019,49(4):38 − 42.
    [15] 李夔宁, 邓廷婷, 谢翌, 等. 基于熵分析的电动汽车电机及电机控制器热管理系统研究[J] . 汽车实用技术,2020(8):9 − 13.
    [16] MURDOCK D A, RAMOS J J, CONNORS J J, et al. Active thermal control of power electronics modules[J] . IEEE Transactions on Industry Applications,2006,42(2):552 − 558. doi: 10.1109/TIA.2005.863905
  • 加载中
图(16) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  338
  • HTML全文浏览量:  82
  • PDF下载量:  35
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-17
  • 刊出日期:  2023-12-30

目录

    /

    返回文章
    返回