确定电气或电子系统的特征温度

摘要

一种用于确定电气或电子系统的特征温度(Tj)的方法包括在操作期间测量所述系统的特征参数，并且基于热模型(M_th)和测量的参数的第一子集来估计温度(Tj)。基于TSEP模型(M_TSEP)和估计的特征温度(Tj)来预测TSEP的第一值(V1)。基于测量的参数的第二子集来确定TSEP的第二值(V2)。比较第一值和第二值(V1、V2)，并且基于比较的结果来适配模型(M_TSEP、M_th)。

说明书

本发明涉及一种用于确定电气或电子系统的特征温度的方法以及一种电气或电子系统。

在电气或电子系统或装置中，由于特定的特征温度对例如可靠性、寿命或劣化率的影响，因而特征温度会引起特别的关注。在某些情况下，超过一定绝对限制的特征温度也会导致装置或系统的破坏。因此，在系统或装置的操作期间确定或监视特征温度可能是至关重要的或者至少是期望的。

然而，在许多情况下，例如，由于恶劣的环境，直接测量关注的特征温度可能不切实际或不可行。特别地，功率半导体装置的结温可能是这种情况，因为在操作期间它们通常是“带电”的且处于高噪声环境中。其它示例包括功率变压器或电抗器的绕组温度或者有载分接开关内的特征温度，例如电阻温度。

间接估计这种特征温度的现有方法需要对每个单独的系统或装置进行事先校准，这在工业应用中是不切实际的，尤其是在半导体装置的情况下实际上是不可能的。其它方法需要特定的实验室设置或者系统或装置的专用操作模式，在某些情况下还需要特定的兼容负载。

因此，本发明的目的是提供一种用于确定电气或电子系统的特征温度的改进构思，其可以在系统或装置的正常操作期间执行且不需要在操作之前进行校准。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。进一步的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。

改进构思基于以下思想：通过基于系统的热模型来估计特征温度，并且基于TSEP模型和热模型的输出预测系统的温度敏感电气参数TSEP的第一值，来实现系统的自动校准或自校准。将第一值与基于测量的TSEP的第二值进行比较。然后，适配热模型和/或TSEP模型以将TSEP的这两个值匹配。

根据改进构思，提供了一种用于确定电气或电子系统的特征温度的方法。该方法包括在系统操作期间测量系统的一个或多个特征参数，尤其是电气参数和/或热参数和/或温度，并且基于系统的热模型和测量的参数的第一子集来估计系统的特征温度。然后，基于TSEP模型和估计的特征温度来预测TSEP的第一值。基于测量的参数的第二子集来确定TSEP的第二值。然后，比较TSEP的第一值与TSEP的第二值，并且基于比较结果来适配热模型和/或TSEP模型。

第一子集和第二子集可以分别包含一个或多个参数。这些子集可以重叠或不相交。可替换地，这些子集可以相同，尤其是可以相同且分别仅包含一个参数。

TSEP模型可以是预定模型。热模型也是如此。热模型可以包含用于确定系统的热阻抗的模型。热模型可以例如基于或包括有限元方法、降阶模型、热电阻-电容网络模型。特别地，降阶模型或热电阻-电容网络模型可以被拟合为有限元模型。

在操作期间执行该方法(尤其是测量)，意指在系统预期的正常或生产操作期间执行该方法。特别地，在系统或装置的生产期间，既不必在测试环境中执行，也不必在操作的专用校准模式中执行。

在一些实施方式中，该方法包括例如在系统的初始操作(尤其是初始正常操作)之前，通过训练序列来运行电气或电子系统或其一部分。根据改进构思，训练序列可以提高自动校准的收敛性。

TSEP是系统的TSEP，尤其是包括在所述系统中的电气或电子装置的TSEP。

例如，适配TSEP模型可以意指适配用于基于特征温度来预测TSEP的参数，例如拟合参数或回归参数。

例如，适配热模型可以意指适配用于确定热阻抗的参数。

例如，比较TSEP的第一值和第二值可以包括确定这些值之间的差。例如，比较的结果可以包括该差。

通过根据所述改进构思的方法，克服了基于热建模的温度仿真和基于测量的TSEP的温度估计这两种方法的缺点。特别地，不比较由这两种方法得到的特征温度，而代替的是比较相应的TSEP值。通过这种方式，摆脱了需要基于测量的TSEP来校准温度估计。推导TSEP的第二值的准确度在系统的整个生命周期中都不会改变，因此将正确地跟踪电气参数和热参数的任何变化，例如由于劣化或测量电路漂移而引起的变化。另一方面，推导TSEP的第一值将正确地反映环境温度或者系统的影响系统的特征温度和例如功率损耗的其它温度。这可以被视为使用热模型来校准TSEP，或者使用测量来保持对热模型的正确跟踪。无论哪种方式都表征了整个电热系统，即，既进行了有效的电气校准又进行了热表征。

例如，该方法的最终结果可以由特征温度给出，该特征温度在匹配TSEP的第一值和第二值的情况下将是有效的。

根据几个实施例，该方法包括基于另一TSEP模型和估计的特征温度来预测另一TSEP的第一值，尤其是系统或系统的装置的另一TSEP的第一值。基于测量的参数的第二子集来确定另一TSEP的第二值。将另一TSEP的第一值与另一TSEP的第二值进行比较。基于另一TSEP的第一值与第二值的比较结果以及TSEP的第一值和第二值的比较结果来适配热模型或TSEP模型。

通过适配所述模型来匹配两个独立的TSEP，可以进一步提高温度估计的准确度。

根据几个实施例，该方法还包括至少重复以下步骤：测量特征参数，估计特征温度以及预测特征温度的第一值。对于重复，使用适配的热模型代替热模型，并且/或者使用适配的TSEP模型代替TSEP模型。

为了改进温度估计，可以将重复的步骤重复几次。对于每次重复，使用先前重复的适配的热模型或TSEP模型。例如，可以重复所重复的步骤，直到TSEP的第一值和第二值之间的差小于预定的阈值，并且，如果适用，另一TSEP的第一值和第二值之间的差小于预定的另一阈值。

根据几个实施例，特征温度是包括在所述系统中的电气或电子装置的特征温度。

根据几个实施例，电气或电子系统是电力电子系统，例如功率转换器，并且特征温度是包括在所述系统中的功率半导体装置的特征温度，尤其是结温。

根据几个实施例，一个或多个测量的特征参数的第一子集包括功率半导体装置的导通状态(即正向)电流和/或功率半导体装置的导通状态(即正向)电压和/或功率半导体装置的断开状态电压和/或功率半导体装置在相应测量间隔内的总导通状态持续时间和/或功率半导体装置在相应测量间隔内的总断开状态持续时间和/或电力电子系统的参考温度。

根据几个实施例，参考温度是电力电子系统的基板温度或热敏电阻温度。

根据几个实施例，一个或多个测量的特征参数的第二子集包括功率半导体装置的导通状态电流和/或导通状态电压。

根据几个实施例，TSEP和/或另一TSEP由功率半导体装置的导通状态电压(尤其是在功率半导体装置的预定导通状态电流处)、功率半导体装置的栅极阈值电压、功率半导体装置的内部栅极电阻或者功率半导体装置的特征开关参数(尤其是在预定导通状态电压或断开状态电压或导通状态电流处)给出。

在一些实施方式中，特征开关参数由电流相对于时间的变化率di/dt、电压相对于时间的变化率dv/dt、开关峰值电流或开关峰值电压给出。

根据几个实施例，估计特征温度的步骤包括确定由于装置引起的功率耗散以及将功率耗散用作热模型的输入。

根据几个实施例，功率耗散包括功率半导体装置的开关功率耗散和/或传导功率耗散。

根据几个实施例，估计特征温度的步骤包括确定由于系统的另一装置或另几个装置引起的交叉耦合功率耗散，以及使用交叉耦合功率耗散作为热模型的输入，尤其是作为热模型的另一输入。

根据改进构思，还提供了一种电气或电子系统。该系统包括电气或电子装置、测量单元和计算单元。测量单元被配置为在电气或电子系统的操作期间测量装置的一个或多个特征参数。

计算单元被配置为基于系统的热模型和测量的参数的第一子集来估计装置的特征温度，基于TSEP模型和估计的特征温度来预测TSEP的第一值，基于测量的参数的第二子集来确定TSEP的第二值，比较TSEP的第一值和第二值，以及基于比较结果来适配热模型或TSEP模型。

根据几个实施例，电气或电子系统包括变压器，尤其是电力变压器，例如，其填充有绝缘剂，尤其是液体绝缘剂。电气或电子装置包括变压器的绕组，并且特征温度由变压器的绕组温度(尤其是热点绕组温度)给出。

根据几个实施例，电气或电子系统包括电抗器(例如并联电抗器)或者电感器(例如填充有隔离介质的电感器)。电气或电子装置包括电抗器的绕组，并且特征温度由电抗器的绕组温度(尤其是热点绕组温度)给出。

根据几个实施例，电气或电子系统包括有载分接开关，例如电阻类型的有载分接开关。特征温度由有载分接开关内的温度(例如，有载分接开关的电阻的温度)给出。

根据几个实施例，电气或电子系统包括电力电子系统，并且电气或电子装置包括功率半导体装置。特征温度由功率半导体装置的结温给出。

根据几个实施例，功率半导体包括晶体管，例如，绝缘栅双极型晶体管IGBT，或者双极结型晶体管BJT，或者MOS场效应晶体管MOSFET，或者结型场效应晶体管JFET，或者高电子迁移率晶体管HEMT。

根据几个实施例，功率半导体包括晶闸管或二极管，例如肖特基二极管或PIN二极管。

根据几个实施例，电力电子系统包括功率转换器，并且功率转换器包括功率半导体装置。

根据几个实施例，电力电子系统包括固态断路器、固态继电器、晶闸管开关或静态VAR补偿器，其包括功率半导体装置。

根据改进构思的电气或电子系统的其他实施方式和实施例容易地从根据改进构思的方法的各种实施方式和实施例得到，反之亦然。特别地，可以相应地实现针对电气或电子系统描述的单个或几个部件或布置以根据改进的系统执行方法。

在下文中，参照附图针对示例性实施方式来详细解释本发明。在功能上相同或具有相同效果的部件可以用相同的附图标记表示。相同的部件或具有相同功能或效果的部件可以仅针对其首次出现的附图进行描述。在后续附图中不必重复其描述。

在附图中，

图1示出了根据改进构思的方法的示例性实施方式的流程图。

图2A示出了根据改进构思的电气或电子系统的示例性实施例的框图。

图2B示出了根据改进构思的电气或电子系统的另一示例性实施例的框图；以及

图3示出了根据改进构思的电气或电子系统的另一示例性实施例的框图。

图1示出了根据改进构思的方法的示例性实施方式的流程图。

在示出的示例性且非限制性情况下，电气或电子系统包括具有功率半导体装置的功率转换器。然而，以下针对图1的讨论类似地适用于其它类型的电气或电子系统，例如针对图3所解释的。在功率转换器的操作期间，测量系统的一个或多个特征参数。在所示出的示例中，在持续时间T

例如，根据导通状态持续时间t

例如，根据导通状态持续时间t

可以将传导功率损耗P

热模型M_th的输出可以表示结温T

然后，估计的结温T

例如，TSEP模型M_TSEP可以利用以下事实：在功率半导体装置的稳定状态下，结温T

一个或多个TSEP的第二值V2是从测量的参数的子集获得的，在示出的示例中是从导通状态电流I

分别相互比较TSEP的第一值V1和第二值V2，尤其是确定相应的差。根据该差，适配热模型M_th的热参数P_th和/或TSEP模型M_TSEP的TSEP参数P_TSEP并将其用于相应地适配模型M_th、M_TSEP。

在第一值V1与第二值V2之间的差足够小(例如都落在相应的阈值以下)的情况下，可以将结温T

图2A示出了根据改进构思的电气或电子系统的示例性实施例的框图。

该系统包括功率转换器PC，该功率转换器PC包含一个或多个(为简化起见仅示出一个)功率半导体装置PS，例如IGBT、BJT、MOSFET、HEMT、JFET、晶闸管或二极管。仅作为非限制性示例将IGBT的电路符号示于图2A中。

功率转换器PC还包括用于确定功率转换器PC(尤其是功率半导体装置PS)的电气参数的测量单元MU，所述电气参数包括例如针对图1解释的一个或多个测量的参数。

功率转换器PC还包括用于执行针对图1描述的一个或多个计算步骤的计算单元CU。

计算单元CU和测量单元MU例如可以包括在功率转换器PC的驱动单元(未示出)或控制单元(未示出)中，或者可以是功率转换器PC的单独电路(未示出)的一部分。

图2B示出了根据改进构思的电气或电子系统的另一示例性实施例的框图。

除了计算单元CU和测量单元MU的布置之外，图2B的系统与图2A的系统相同。特别地，计算单元CU和测量单元MU不是功率转换器PC的一部分，而是包括在耦合至功率转换器PC的电路C中。该电路可以例如包括包含计算单元CU的微处理器(未示出)。

图3示出了根据改进构思的电气或电子系统的另一示例性实施例的框图。

该系统包括具有箱体T的电力变压器或电抗器，尤其是并联电抗器。在箱体T内布置有一个或多个绕组W1、W2、W3。例如，箱体T可以被绝缘剂IM(例如变压器油)填充或部分地填充。

在这样的系统中，特征温度是绕组W1、W2、W3之一的绕组温度或热点温度。

相对于图1的讨论，绕组温度替换结温T

通过这些或其它合适的替换，对于变压器或电抗器，也可以类似地执行针对图1描述的方法。

通过相应的合适的替换，对于有载分接开关，也可以类似地执行针对图1所描述的方法。

通过根据该改进构思的方法或系统，可以在没有事先校准的情况下并且在系统正常操作期间确定电气或电子系统的特征温度。这是通过使用仿真和估计的混合方法来实现的。强制使TSEP的确定的值匹配会导致基于容易获得的量来表征整个系统。该改进构思广泛地适用于多种电气或电子系统，其仅需要对参数进行合适的选择。

在系统的整个生命周期中都实现对系统或装置的温度灵敏度的有效的重新校准。因此，在装置的整个生命周期中都跟踪电气参数和热参数的长期变化，这意指本质上提供了状况监视。

该改进构思的另一个优点是，除了对TSEP特征的近似估计之外，不需要事先获知装置特征。对TSEP特征的近似估计可依赖于所使用的数学模型，包括最小二乘拟合、自适应滤波、卡尔曼滤波和主成分分析。数据表参数也可能就足够了。

在功率转换器的情况下，不需要改变功率转换器模块，尤其是不需要模块内的额外连接或传感器。

根据改进构思的实施方式可涉及功率半导体装置的结温估计，其可实现下一代“智能”功率转换器中的几个特征，包括：动态评级控制(智能高估/低估)、优化的并联逆变器堆电流共享、状况监视(检测磨损和异常操作、提供预测性维护)、温度周期计数和剩余使用寿命估计、在开发和类型测试期间对逆变器堆设计的改进的验证、改进的过温检测。

给功率转换器制造商带来的好处可包括优化的性能(例如，额定电流或效率)与成本关系(例如，通过减少边际)。对功率转换器的最终用户的好处可包括及早检测到异常操作并潜在地降低操作成本。

为了演示在不使用改进构思的情况下缺乏校准的效果，以功率转换器中使用的IGBT的产品变型为例。通常，对于95％的生产批次，IGBT的导通状态电压降或栅极阈值电压的变化范围可能为±100mV或甚至更大。当与1-10mV/K的典型TSEP灵敏度结合时，这会给出10-100℃范围内的误差，从而将使结温估计毫无意义。这突显了改进构思的好处。

附图标记

T

t

t

I

V

V

T

T

P

P

P

P

V1,V2 TSEP的值

M_th 热模型

M_TSEP TSEP模型

CALC 计算步骤

P_th 热参数

P_TSEP TSEP参数

PC 功率转换器

CU 计算单元

MU 测量单元

C 电路

PS 功率半导体装置

T 箱体

IM 绝缘剂

W1,W2,W3 变压器或电抗器的绕组。