采用全階狀態(tài)觀測(cè)器的IGBT模塊結(jié)溫預(yù)測(cè)

邱綿浩，王明玉，魏 輝，李 琪，王大方

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 汽車(chē)工程學(xué)院, 山東 威海 264209)

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)以?xún)?yōu)越的環(huán)保和節(jié)能特性，已然成為21世紀(jì)汽車(chē)發(fā)展的主要趨勢(shì)[1]。 IGBT模塊在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但是，由于逆變器本身的溫升、散熱條件以及周?chē)h(huán)境的限制，功率損耗導(dǎo)致的熱循環(huán)與惡劣的工作環(huán)境相結(jié)合會(huì)導(dǎo)致大范圍以及不可預(yù)測(cè)的結(jié)溫波動(dòng)與過(guò)熱[2]，致使器件乃至于整個(gè)系統(tǒng)崩潰。 研究表明，超過(guò)半數(shù)的逆變器失效都是由于過(guò)溫引起的，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT溫度尤為必要。

各國(guó)學(xué)者在結(jié)溫估計(jì)方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，提出多種測(cè)量方法，總體可歸結(jié)為物理接觸測(cè)量法、光學(xué)法、電熱耦合模型法以及熱敏參數(shù)法[3-5]4類(lèi)。 文獻(xiàn)[6-9]利用有限元仿真軟件搭建IGBT的三維模型，提取了器件的瞬態(tài)阻抗曲線(xiàn)與熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并搭建IGBT的熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬芯片散熱過(guò)程，結(jié)合IGBT的損耗與熱阻網(wǎng)絡(luò)建立了熱-電耦合模型,對(duì)結(jié)溫進(jìn)行估算。 該模型考慮了大多數(shù)仿真軟件在計(jì)算IGBT損耗時(shí)忽略的溫度影響因素，所得損耗模型更加準(zhǔn)確，提高了結(jié)溫估計(jì)的準(zhǔn)確性。 文獻(xiàn)[10]利用熱敏參數(shù)關(guān)斷延遲時(shí)間以及柵極-發(fā)射極電壓、集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓，根據(jù)材料參數(shù)隨溫度的變化而變化建立對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)測(cè)量結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)了結(jié)溫較為精確的估計(jì)。 文獻(xiàn)[11]對(duì)多種熱敏電參數(shù)測(cè)量結(jié)溫分別進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，得出門(mén)極閾值電壓是較適合進(jìn)行在線(xiàn)估計(jì)結(jié)溫的參數(shù)。 文獻(xiàn)[12]介紹了各種熱敏電參數(shù)，并歸類(lèi)總結(jié)為經(jīng)典熱敏電參數(shù)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

IGBT結(jié)溫預(yù)測(cè)的4種方法各有優(yōu)劣。 物理接觸測(cè)量法與光學(xué)法屬于直接測(cè)量方法，需要破壞IGBT的封裝，附加昂貴的測(cè)試設(shè)備，不適合在線(xiàn)實(shí)時(shí)估算結(jié)溫。 電熱耦合模型法雖然是非破壞性的，但是無(wú)法避免器件老化帶來(lái)的估計(jì)誤差，該方法屬于開(kāi)環(huán)估計(jì)，無(wú)法對(duì)結(jié)溫起到一定的反饋調(diào)節(jié)。 熱敏參數(shù)法能夠快速且準(zhǔn)確的估計(jì)結(jié)溫，但是需要附加額外的電路，難以實(shí)現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行工況下的在線(xiàn)實(shí)時(shí)估算，為工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)一定的困難，但該方法可用于對(duì)其他結(jié)溫估計(jì)算法的驗(yàn)證。

針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本文在熱電耦合模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)全階狀態(tài)觀測(cè)器，并進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，提高結(jié)溫估計(jì)的準(zhǔn)確性與魯棒性，最后通過(guò)搭建仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

1 IGBT損耗建模

IGBT損耗問(wèn)題與工作溫度直接相關(guān)，損耗都將轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致功率模塊的溫度上升，所以損耗在結(jié)溫的估計(jì)方面有著至關(guān)重要的作用。 IGBT的損耗主要由導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗組成[13-14]。

1.1 導(dǎo)通損耗

IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗，通常由流過(guò)器件的電流和電壓的乘積來(lái)確定。 而飽和壓降(Vce-sat)主要受到導(dǎo)通電流與結(jié)溫兩個(gè)因素影響。 因此只需標(biāo)定出IGBT在不同導(dǎo)通電流、不同溫度下的壓降曲線(xiàn)即可計(jì)算導(dǎo)通損耗。 飽和壓降的測(cè)試方法主要有脈沖法和直流法。 由于直流法會(huì)使器件長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通，導(dǎo)致溫度升高，影響測(cè)量結(jié)果，本文基于單脈沖法測(cè)試原理搭建測(cè)試平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 IGBT飽和壓降測(cè)量平臺(tái)示意圖

測(cè)試時(shí)，將待測(cè)IGBT放入高低溫箱控制其環(huán)境溫度為設(shè)定值，調(diào)節(jié)直流電源與滑動(dòng)變阻器使得電路導(dǎo)通時(shí)流過(guò)規(guī)定的測(cè)試電流，采用示波器獲取該電流下的器件飽和壓降。 單個(gè)IGBT控制周期內(nèi)的平均導(dǎo)通損耗為

Pcond=Vce_sat·Ic·ε

(1)

式中ε為PWM波的占空比，飽和壓降(Vc-sat)主要受到導(dǎo)通電流與結(jié)溫兩個(gè)因素影響。表1給出了不同導(dǎo)通電流和工作溫度下的飽和壓降，由于IGBT飽和壓降由導(dǎo)通壓降(uce0)和通態(tài)電阻(rc)上的壓降兩部分組成，所以可以將飽和壓降曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，其導(dǎo)通損耗描述為[15]

表1 不同IGBT狀態(tài)下測(cè)得的飽和壓降

Pcond=(uce0+rc·Ic)Ic·ε

(2)

考慮溫度因素的影響，測(cè)量?jī)蓚€(gè)溫度下的導(dǎo)通損耗，通過(guò)線(xiàn)性擬合的方式推導(dǎo)任意溫度下的IGBT導(dǎo)通損耗[15]為

(3)

1.2 開(kāi)關(guān)損耗

由于數(shù)據(jù)手冊(cè)上參數(shù)獲得工況與實(shí)際工況有所不同，直接利用數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)計(jì)算功率損耗會(huì)帶入比較大的誤差，所以需要通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，建立開(kāi)關(guān)損耗模型。 圖2給出了IGBT雙脈沖實(shí)驗(yàn)的測(cè)試電路與時(shí)序。 其中，DUT是被測(cè)IGBT，UGE、UCE、IC分別表示被測(cè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓、集射極兩端電壓、集電極電流。 雙脈沖測(cè)試的第一個(gè)脈沖的作用是為了建立測(cè)試電路的電流，第二個(gè)脈沖主要是用于觀測(cè)被測(cè)IGBT的開(kāi)通過(guò)程，其具體實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

圖2 雙脈沖實(shí)驗(yàn)電路與測(cè)試時(shí)序

IGBT雙脈沖離線(xiàn)測(cè)試平臺(tái)框架如圖3，測(cè)試平臺(tái)主要由以下幾部分組成：驅(qū)動(dòng)控制、待測(cè)IGBT、感性負(fù)載測(cè)試電路、溫度控制。

圖3 雙脈沖實(shí)驗(yàn)電路與測(cè)試時(shí)序

本文針對(duì)三菱模塊PM600CLA060進(jìn)行測(cè)試，研究IGBT開(kāi)關(guān)特性在不同溫度、電壓以及電流下的變化趨勢(shì)，為后續(xù)開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 不同測(cè)試電壓(50、100、150 V)下的IGBT測(cè)試開(kāi)關(guān)波形如圖4所示。

圖4 不同電壓下的開(kāi)關(guān)波形

從圖4可以看出，隨著測(cè)試電壓的增大，在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中IGBT的電壓與電流重合面積越大，開(kāi)通損耗增加。

圖5給出了不同測(cè)試電流 (20、60、100 A)下的開(kāi)關(guān)波形。 由圖5可知，隨著測(cè)試電流的增大，開(kāi)通時(shí)間越長(zhǎng)，開(kāi)通損耗增加，而關(guān)斷過(guò)程電壓過(guò)沖和更加明顯的拖尾效應(yīng)，使得測(cè)試電流的增加導(dǎo)致的關(guān)斷損耗也增加。

圖5 不同電流下的開(kāi)關(guān)波形

圖6給出不同的環(huán)境溫度(20、50、75 ℃)下的IGBT測(cè)試結(jié)果，高溫條件下，基極載流子的移動(dòng)速度會(huì)變緩慢，導(dǎo)致電流的上升速率下降，同時(shí)載流子復(fù)合過(guò)程的時(shí)間變長(zhǎng)，因此隨著工作溫度的增加損耗變大。

圖6 不同溫度下的開(kāi)關(guān)波形

2 瞬態(tài)熱阻測(cè)試

2.1 瞬態(tài)熱阻測(cè)試方法

傳統(tǒng)的熱阻計(jì)算公式是建立在穩(wěn)態(tài)傳熱工況下，需要測(cè)得傳熱穩(wěn)定階段的結(jié)溫與殼溫，計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)熱阻。 但是在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT需要經(jīng)歷瞬態(tài)過(guò)程，器件往往不處于熱平衡狀態(tài)，所以?xún)H僅依靠穩(wěn)態(tài)熱阻無(wú)法實(shí)時(shí)估算結(jié)溫。 因此，需要使用瞬態(tài)熱阻公式[17]

(4)

式中Tj0為IGBT結(jié)溫的初始值，Tj(t)為IGBT結(jié)溫的隨時(shí)間變化值。 基于熱敏參數(shù)法測(cè)量瞬態(tài)熱阻的測(cè)試方法，首先標(biāo)定飽和壓降在恒定小電流導(dǎo)通下與結(jié)溫的線(xiàn)性關(guān)系曲線(xiàn)[18]。 接著對(duì)IGBT模塊施加已知的加熱功率直到IGBT的結(jié)溫不再發(fā)生變化，切斷加熱功率，改為恒定小電流導(dǎo)通狀態(tài)，記錄飽和壓降的變化過(guò)程，利用線(xiàn)性關(guān)系曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)溫，帶入式(4)計(jì)算相應(yīng)的熱阻。

IGBT在恒定小電流導(dǎo)通條件下，飽和壓降隨結(jié)溫的變化呈線(xiàn)性關(guān)系，設(shè)計(jì)圖7平臺(tái)將IGBT模塊放置在不同環(huán)境溫度下，施加10 mA的測(cè)試電流，研究飽和壓降與結(jié)溫的關(guān)系。

圖7 飽和壓降-結(jié)溫標(biāo)定平臺(tái)

獲取測(cè)量數(shù)據(jù)后，通過(guò)曲線(xiàn)擬合可以得到在10 mA電流導(dǎo)通下IGBT結(jié)溫與飽和壓降的變化曲線(xiàn)如圖8所示，從圖8中可以看出，10 mA小電流下，IGBT的飽和壓降與結(jié)溫是線(xiàn)性關(guān)系，隨著結(jié)溫的升高，飽和壓降不斷降低。

圖8 10 mA電流下飽和壓降和結(jié)溫的關(guān)系

瞬態(tài)熱阻測(cè)試平臺(tái)如圖9所示，將IGBT模塊固定在散熱器上，控制兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通，施加75 A的加載電流。 當(dāng)在示波器中觀察到器件飽和壓降曲線(xiàn)不再變化，說(shuō)明器件已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，然后控制左側(cè)下橋臂IGBT斷開(kāi)，切斷加熱電流，這時(shí)僅僅由小電流源供10 mA電流流過(guò)被測(cè)IGBT，記錄Vce與外殼熱敏電阻的溫度變化，將換算得到的結(jié)溫帶入式(4)，得到了瞬態(tài)過(guò)程的熱阻曲線(xiàn)。

圖9 IGBT瞬態(tài)熱阻測(cè)試平臺(tái)

基于IGBT模塊瞬態(tài)熱阻測(cè)試平臺(tái)測(cè)得飽和壓降曲線(xiàn)，通過(guò)圖8換算成結(jié)溫隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖10所示。 將圖10獲得的升溫曲線(xiàn)帶入式(4)可以計(jì)算出IGBT芯片到環(huán)境的總熱阻與散熱器到環(huán)境的熱阻，它們之間的差值就是結(jié)殼之間的熱阻。

圖10 結(jié)溫與殼溫的升溫曲線(xiàn)

IGBT模塊瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)如圖11，瞬態(tài)熱阻由小到大，最后趨于穩(wěn)定值，熱流從最頂層的IGBT芯片經(jīng)過(guò)模塊外殼、散熱器、最后傳到環(huán)境，形成整個(gè)熱傳導(dǎo)回路。 結(jié)殼間的穩(wěn)態(tài)熱阻最終趨于0.068 5 ℃/W，與器件數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的結(jié)殼熱阻最大值不超過(guò)0.07 ℃/W相符。

圖11 IGBT模塊各部分瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)

2.2 RC熱網(wǎng)絡(luò)模型

熱網(wǎng)絡(luò)模型是把研究對(duì)象沿主要的熱流路徑細(xì)分成不同的單元節(jié)點(diǎn)，每個(gè)熱節(jié)點(diǎn)內(nèi)部溫度在同一瞬間看做同一溫度。 熱阻網(wǎng)絡(luò)也被稱(chēng)為熱電模擬，熱網(wǎng)絡(luò)和電路網(wǎng)絡(luò)有很多類(lèi)似的地方，根據(jù)熱-電比擬理論將熱阻網(wǎng)絡(luò)的溫度、熱流、熱阻、熱容分別與電路中電壓、電流、電阻、電容進(jìn)行等效，可用類(lèi)似電路的基爾霍夫定律來(lái)求解熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的溫差和熱流。

Foster網(wǎng)絡(luò)和Cauer網(wǎng)絡(luò)是熱分析中較常見(jiàn)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)中的熱阻熱容只是等效參數(shù)，不與IGBT內(nèi)部傳熱路徑上各層的熱阻和熱容一一對(duì)應(yīng)，但該模型簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，可用于搭建結(jié)溫仿真模型的被控對(duì)象，網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)可以通過(guò)瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)進(jìn)行擬合求解，擬合公式為

(5)

考慮算法的實(shí)現(xiàn)、計(jì)算能力和精度要求，將式(5)采用二階擬合，將IGBT芯片到模塊外殼和散熱器到環(huán)境這兩部分熱阻分別進(jìn)行二階擬合，得到Foster網(wǎng)絡(luò)的熱阻與熱容。

Cauer網(wǎng)絡(luò)能夠真實(shí)地反映IGBT模塊的熱傳遞過(guò)程，見(jiàn)圖12，物理意義明顯，但是Cauer網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)難以直接獲取，可以通過(guò)Foster網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換法構(gòu)建。

圖12 Cauer網(wǎng)絡(luò)

3 狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與仿真分析

3.1 Cauer熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制方程

根據(jù)Cauer網(wǎng)絡(luò)模型，在IGBT的垂直傳熱路徑建立個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)，它們分別為IGBT芯片的溫度、IGBT芯片與殼之間一點(diǎn)的溫度、模塊外殼的溫度、散熱器內(nèi)部一點(diǎn)的溫度。 根據(jù)熱阻網(wǎng)絡(luò)選擇好熱節(jié)點(diǎn)后，由傳熱路徑，可根據(jù)基爾霍夫定理，寫(xiě)出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制方程:

(6)

選擇每個(gè)熱節(jié)點(diǎn)的溫度作為系統(tǒng)狀態(tài)：

x=[VC1VC2…VCn]T

系統(tǒng)的輸入為IGBT功率損耗與環(huán)境溫度：

u=[iPdissTamb]T

系統(tǒng)的輸出為各節(jié)點(diǎn)的溫度：

y=x

由式(6)節(jié)點(diǎn)控制方程推導(dǎo)得：

(7)

3.2 結(jié)溫狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

利用熱阻網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間表達(dá)式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT結(jié)溫的開(kāi)環(huán)估計(jì)。 但是在實(shí)際運(yùn)行中，受模型精度以及各種隨機(jī)干擾等的影響，估計(jì)精度將受到影響。 因此，采用狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)估計(jì)，利用模型輸出和實(shí)際的NTC熱敏電阻溫度之間的誤差對(duì)結(jié)溫估計(jì)值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而保證估計(jì)值的準(zhǔn)確性。

(8)

由于在實(shí)際工程應(yīng)用中很難保證狀態(tài)觀測(cè)器的初始條件與原系統(tǒng)完全一樣。 狀態(tài)觀測(cè)器與原系統(tǒng)之間存在的初始誤差勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致隨后的估計(jì)存在誤差。 這個(gè)誤差無(wú)法隨著時(shí)間收斂于零，因此，在狀態(tài)觀測(cè)器中引入原系統(tǒng)和觀測(cè)器系統(tǒng)輸出的差值進(jìn)行反饋，基于反饋控制，在輸出誤差基礎(chǔ)上加入反饋環(huán)節(jié)，控制輸出誤差趨于零。 得到如圖13所示的結(jié)溫狀態(tài)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖。

圖13 結(jié)溫狀態(tài)觀測(cè)器

由圖13可知，當(dāng)觀測(cè)器的狀態(tài)變量與原系統(tǒng)狀態(tài)變量不一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一誤差信號(hào)，再通過(guò)反饋環(huán)節(jié)輸送到觀測(cè)器輸入端，參與觀測(cè)器狀態(tài)變量的調(diào)節(jié)，使得觀測(cè)器狀態(tài)變量能夠快速、穩(wěn)定且準(zhǔn)確的逼近于原系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)。狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)空間表達(dá)為

(9)

(10)

狀態(tài)觀測(cè)器與原系統(tǒng)的估計(jì)誤差為

(11)

式中，A-GC是觀測(cè)器的系統(tǒng)矩陣，G是結(jié)溫觀測(cè)器的反饋矩陣。 反饋矩陣G的設(shè)計(jì)最主要的是保證觀測(cè)器能夠快速穩(wěn)定的收斂，即使得特征矩陣A-GC的特征值都處于實(shí)軸的負(fù)半部，保證觀測(cè)器的收斂性。 收斂速度則可根據(jù)離虛軸的距離來(lái)確定，特征值離虛軸越遠(yuǎn)則觀測(cè)器的狀態(tài)逼近原系統(tǒng)狀態(tài)的速度就越快;但是并非越快越好，一般觀測(cè)器極點(diǎn)取原系統(tǒng)極點(diǎn)的2～5倍即可。

基于狀態(tài)觀測(cè)器的IGBT結(jié)溫估計(jì)模型分為3個(gè)部分：電學(xué)模型、熱學(xué)模型以及觀測(cè)器模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)溫估計(jì)原理框架如圖14所示。

圖14 IGBT結(jié)溫估計(jì)原理框圖

圖15為基于全階狀態(tài)觀測(cè)器的IGBT模塊結(jié)溫預(yù)測(cè)仿真模型，模型包括IGBT工作電路、損耗模型、等效熱網(wǎng)絡(luò)模型以及結(jié)溫狀態(tài)觀測(cè)器，基于真實(shí)的殼溫與觀測(cè)器觀測(cè)到的殼溫之間的誤差進(jìn)行輸出反饋調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)溫估計(jì)值的實(shí)時(shí)修正。

圖15 Simulink仿真模型

3.3 仿真結(jié)果分析

IGBT在如圖15所示的工作電路下運(yùn)行，工作狀態(tài)為：導(dǎo)通電流為300 A、母線(xiàn)電壓為300 V、開(kāi)關(guān)頻率為1 kHz、驅(qū)動(dòng)信號(hào)方波的占空比為0.3、環(huán)境溫度為20 ℃，仿真得到了如圖16所示的IGBT結(jié)溫與殼溫升高曲線(xiàn)。 仿真結(jié)果表明，器件在正常運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗使得結(jié)溫升高，當(dāng)功率損耗產(chǎn)生的熱量與外界散熱達(dá)到平衡時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，平均結(jié)溫不再升高。 而且從圖中可以看出無(wú)論是估計(jì)的結(jié)溫還是殼溫都能夠很好地跟隨實(shí)際的溫度曲線(xiàn)。

(a)結(jié)溫 (b)殼溫

圖17為兩種方法估計(jì)結(jié)溫的對(duì)比結(jié)果，當(dāng)建立的IGBT熱網(wǎng)絡(luò)模型與實(shí)際的IGBT傳熱過(guò)程存在誤差時(shí)，本文所設(shè)計(jì)得狀態(tài)觀測(cè)器能夠在很大程度上消除估計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)溫，而傳統(tǒng)的熱電耦合模型屬于開(kāi)環(huán)估計(jì)，太過(guò)依賴(lài)模型的準(zhǔn)確性，一旦模型存在誤差或者受到隨機(jī)干擾則無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)結(jié)溫。

圖17 不同方法預(yù)測(cè)結(jié)溫對(duì)比仿真波形

4 結(jié)溫狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原理圖見(jiàn)圖18，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由感性負(fù)載電路與TMS320F28335系統(tǒng)構(gòu)成。 負(fù)載電路包含兩個(gè)IGBT，被測(cè)IGBT是結(jié)溫估計(jì)對(duì)象，由正常PWM波驅(qū)動(dòng)，在開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通過(guò)程產(chǎn)生功率損耗使結(jié)溫上升。 而控制開(kāi)關(guān)是用來(lái)選擇導(dǎo)通電流的，對(duì)結(jié)溫狀態(tài)觀測(cè)器準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。 當(dāng)控制開(kāi)關(guān)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，被測(cè)IGBT處于正?；芈愤\(yùn)行，每隔5 s關(guān)斷控制開(kāi)關(guān)并且使被測(cè)IGBT恒打開(kāi)，此時(shí)被測(cè)IGBT流過(guò)的則是通過(guò)小電流恒流源提供的10 mA電流，短暫測(cè)量后兩個(gè)IGBT又恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖18 結(jié)溫估計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

電感負(fù)載為240 μH的SDK-60 A的輸出電抗器，滑動(dòng)變阻器是RX20-T大功率可調(diào)電阻，其功率為5 kW、最大阻值1 Ω。 直流電源為愛(ài)德克斯大功率IT6523D電源，額定功率為3 kW。 恒定小電流源采用艾德克斯IT6720直流源，可提供10 mA電流。 被測(cè)IGBT采用三菱模塊PM600CLA060，該模塊采用新的第5代IGBT芯片，額定電壓為600 V，額定電流為600 A，結(jié)溫范圍為-20～150。 搭建如圖19所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，28335控制器的A/D模塊對(duì)IGBT的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，結(jié)合初始設(shè)定的占空比與開(kāi)關(guān)頻率輸入損耗模型計(jì)算當(dāng)前IGBT的功率損耗。 NTC熱敏電阻的溫度通過(guò)變送器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)被采集，輸入給狀態(tài)觀測(cè)器，利用觀測(cè)器估算的殼溫和實(shí)際的熱敏電阻溫度的誤差對(duì)結(jié)溫估計(jì)值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

圖19 結(jié)溫估計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)條件：母線(xiàn)電壓為100 V,開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM波占空比為0.2，導(dǎo)通電流為40 A，得到的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖20。 從圖20中可以看出，器件在正常運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)通損耗與頻繁開(kāi)關(guān)帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗使得結(jié)溫不斷升高，當(dāng)功率損耗產(chǎn)生的熱量與外界散熱達(dá)到平衡時(shí)，結(jié)溫進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 觀測(cè)器估算的殼溫很好跟隨實(shí)際NTC熱敏電阻測(cè)量得到的殼溫，同時(shí)由熱敏參數(shù)法采集的實(shí)際結(jié)溫與狀態(tài)觀測(cè)器估算的結(jié)溫間的誤差也很小，說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)觀測(cè)器的準(zhǔn)確性。

圖20 結(jié)溫估計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié) 論

1)IGBT總損耗隨著導(dǎo)通電流、母線(xiàn)電壓、結(jié)溫的增大而增加，搭建了IGBT的損耗模型，綜合考慮了電流、母線(xiàn)電壓和結(jié)溫的影響，計(jì)算結(jié)果更精確。

2)根據(jù)IGBT飽和壓降在恒定小電流下與器件結(jié)溫呈線(xiàn)性相關(guān)的性質(zhì)，擬合了溫度與瞬態(tài)熱阻變化曲線(xiàn)，建立了具備物理意義的熱網(wǎng)絡(luò)模型。

3)針對(duì)基于狀態(tài)方程對(duì)結(jié)溫開(kāi)環(huán)估計(jì)無(wú)法進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的不足，設(shè)計(jì)了全階狀態(tài)觀測(cè)器，利用觀測(cè)器輸出殼溫和實(shí)測(cè)的殼溫之間的誤差對(duì)結(jié)溫估計(jì)值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正； 在Matlab/Simulink中驗(yàn)證了狀態(tài)觀測(cè)器結(jié)溫估計(jì)方法的準(zhǔn)確性與魯棒性；基于熱敏參數(shù)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明狀態(tài)觀測(cè)器能夠很好實(shí)時(shí)在線(xiàn)估算結(jié)溫。