(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 202111503871.1 (22)申请日 2021.12.09 (71)申请人 中车永济电机有限公司 地址 044500 山西省运城市永济市电机大 街18号 (72)发明人 水富丽　王武俊　刘志敏　张瑞峰　 郭佳　 (74)专利代理 机构 太原科卫专利事务所(普通 合伙) 1410 0 代理人 张彩琴 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/18(2020.01) H04L 27/12(2006.01) G06F 17/11(2006.01)G06F 17/10(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于调制解析的半导体功率器件功率损耗 及结温计算方法 (57)摘要 本发明属于IGBT变流模块功率损耗计算及 电热特性分析技术领域， 具体为基于调制解析的 半导体功率器件功率损耗及结温计算方法， 解决 了背景技术中的技术问题， 其根据电力电子拓扑 及调制方式来建立电流脉冲， 根据调制方式解析 方法获取的脉冲电流数据可计算脉冲形式的损 耗波动， 计算一个周期内的脉冲损耗， 脉冲损耗 输入Foster热网络模型， 进而计算波动结温。 本 发明避免了不同调制方式下占空比计算困难问 题， 所算损耗具有更好的精度， 且能体现损耗在 一个正弦波周期内的波动； 以脉冲波动损耗为输 入， 以forster热网络模型为结温计算模型， 可以 体现结温在一个正弦波周期内的波动， 相比于仅 以热阻信息进行计算的结温， 所计算的最大结温 更准确。 权利要求书1页 说明书11页 附图5页 CN 114398756 A 2022.04.26 CN 114398756 A 1.基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法， 其特征在于， 包括四个 步骤， 分别为： 步骤一、 根据具体的电力电子拓扑电路及其调制方式， 建立调制方式的数学模型， 进行 数学求解， 得到其调制方式下的一个周期内的器件导 通区间； 步骤二、 根据功率因数、 负载相电流有效值和步骤一得到的导通区间构造一个周期的 脉冲电流模型； 步骤三、 根据导通电流脉冲计算每个电流脉冲对应器件的开通损耗、 关断损耗和通态 损耗， 进而获得每一个电流脉冲的平均损耗， 最后可算得一个正弦波周期的平均损耗； 步骤四、 以正弦波周期的平均损耗计算的稳态结温为forster热网络模型的初值， 以脉 冲损耗为动态输入计算 一个正弦波周期内的结温波动。 2.根据权利要求1所述的基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法， 其特征在于， 步骤一中调制方式解析以弧度角为尺度， 获取[ 0 2 π]上的功率器件导通区间， 记为angle。 3.根据权利要求1所述的基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法， 其特征在于， 步骤二中脉冲电流模型为： 记电压与电流之间的功率因数为cos( θ )＝k， 记负 载相电流有效值 为A， 则脉冲电流模型为： 4.根据权利要求1所述的基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法， 其特征在于， 步骤三中每一个脉冲电流的损耗计算公式如下： 开通损耗： Eo n＝fon(I),ω＝angle_o n， 关断损耗： Eof f＝foff(I),ω＝angle_of f， 通态损耗： 其中， angle_on为angle区间的开始弧度角， angle_off为 angle区间的结束弧度角。 5.根据权利要求1所述的基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法， 其特征在于， 步骤一中， 电力电子拓扑电路为两电平电压源型逆变拓扑电路、 两电平整流拓 扑电路、 三电平整流拓扑电路或三电平逆变拓扑电路， 调制方法为SPWM调制、 中间60 °PWM调 制或SHEPWM调制。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114398756 A 2基于调制解 析的半导体功率器件功率 损耗及结温计算方 法 技术领域 [0001]本发明属于IGBT变流模块功率损耗计算及电热特性分析技术领域， 涉及调制解 析， 具体为基于调制解析的半导体功率器件功率损耗及结温计算方法。 背景技术 [0002]牵引变流器作为电力机车的关键部件之一， 一直是各项研究的重点关注方向。 而 半导体功率器件作为牵引变流器的组成基础与核心， 其性能直接决定了牵引变流器的性能 指标。 随着半导体功 率模块、 变流器等电力电子装置向轻量化、 紧凑化、 节能化方向发展,半 导体功率模块设计显得更加突出。 目前采用的估算公式算法计算功 率模块损耗的设计方法 较粗放， 往往会造成较大的设计裕量， 不利于轻量化、 紧凑化、 节能化的设计目标。 本专利将 着力解决这个问题， 从系统级层面考虑， 提供一种将调制方式、 冷却系统等因素 统筹在内的 半导体功率器件损耗设计结温设计的方法。 [0003]关于IGBT变流模块功率损耗计算及电热 特性分析的研究大致分为 三类： [0004]第一种为如专利201810490961.3公布的一种牵引变流器在线结温计算方法， 该方 法基于牵引控制单元实时采集过来的驱动脉冲、 电流等信号进行实时损耗及结温的计算， 能够捕捉动态过程， 结果较准确。 但是该方法的实现依赖于控制单元， 并不适合产品设计前 期缺少控制单 元的情况； [0005]第二种为如201510344338.3公布了一种采用Matalb/ simulink仿 真软件实现城轨 列车牵引变流器的功耗计算建模方法。 该方法仿真计算工具受 限于载荷点的数量， 使软件 工具的实际工程应用受到限制。 且Matalb/simulink仿真模型在面对多种调制方式的应用 时非常耗时， 还 对设计人员的能力要求较高， 不利于 工程化、 模块化； [0006]第三种为在线计算功率损耗和结温， 如201410205679.8公开了一种风电变流器 IGBT模块结温在线计算方法， 该方法侧重于开关周期功率损耗的结温计算， 考虑了结温对 损耗的影响， 仅能准确计算 风电变流器在输出 频率较低时的IGBT模块的动态波动结温。 发明内容 [0007]本发明旨在 解决如何将调制方式、 冷却系统等因素统筹在半导体功率器件损耗及 结温计算方法中的技术问题， 提供了一种基于调制解析的半导体功 率器件功 率损耗及结温 计算方法。 [0008]本发明解决其技术问题采用的技术手段是： 提供一种基于调制解析的半导体功率 器件功率损耗及结温计算方法， 包括四个步骤， 分别为： [0009]步骤一、 根据具体的电力电子拓扑电路及其调制方式， 建立调制方式的数学模型， 进行数学求解， 得到其调制方式下的一个周期内的器件导 通区间； [0010]步骤二、 根据功率因数、 负载相电流有效值和步骤一得到 的导通区间构造一个周 期的脉冲电流模型； [0011]步骤三、 根据导通电流脉冲计算每个电流脉冲对应器件的开通损耗、 关断损耗和说　明　书 1/11 页 3 CN 114398756 A 3