基于实时温度估测的PWM逆变器主动热管理控制

本论文以不平稳工况下的PWM逆变器中IGBT为研究对象,分析了实时结温的估测方法,提出了可用于指导功率器件主动热管理的控制方法,通过理论分析和仿真验证的方法进行了研究。主要工作如下:提高器件可靠性是实行主动热管理的根本目标。论文从器件的封装结构和失效机理分析,得出了可用于描述逆变器可靠性的寿命预测模型。基于电热比拟理论,提出了一种可用于描述器件一维热传导的热网络模型,通过电热特性分析,发现平均结温和结温波动是影响器件可靠性的关键因素,从而确定主动热管理的通用模型。实时结温估测是主动热管理的基础。本文提出了一种可用于实时温度估测的电热耦合模型。利用功率器件生产厂商提供的数据手册和逆变器运行实时工况提供的数据,得到实时损耗值,可以更加准确模拟实际工况下IGBT的结温变化过程。将仿真结果和IPOSIM软件仿真进行比较,结果表明,本文提出的电热耦合模型能够快速而准确地评估器件的实时结温。逆变器实际应用工况下的输出频率并不稳定,本文提出了分区域导向的主动热管理控制策略。通过讨论了输出频率对结温和器件寿命的影响,可以得知在输出频率较低时,结温波动幅值较大,器件更易发生失效。本文提出的分区域导向的主动热管理控制策略能充分考虑输出频率对器件结温的影响,在低输出频率时对温度波动进行监控,用滞环控制的方式调节开关频率;在较高输出频率时,对电流进行限幅,降低器件的平均结温。本文在两电平三相PWM逆变器系统上实现了主动热管理控制策略。论文充分结合内部热管理和外部热管理的优势,提出多参量联合调节结温的主动热管理策略。在MATLAB/Simulink中用大量仿真对文中提出的方法进行了验证,结果表明,本文提出的主动热管理控制策略能有效降低器件平均结温和结温波动,提高热容量利用率,改善可靠性,延长器件使用寿命。