CN114442694B

CN114442694B - 一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法

Info

Publication number: CN114442694B
Application number: CN202111674988.6A
Authority: CN
Inventors: 刘立; 聂大臣; 陈健; 汪扬; 陈扬; 王志斌
Original assignee: Chongqing Changan New Energy Automobile Technology Co Ltd
Current assignee: Deep Blue Automotive Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114442694A

Abstract

本发明公开一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法，本方法根据碳化硅结温计算公式，分析提取对结温计算影响最大的影响因子，并构建结温拟合公式，然后根据碳化硅黑模块红外试验数据，确定结温拟合公式中的待定参数，再利用NTC传感器，对结温拟合公式进行校准以提高估算精度，完成电机控制器碳化硅结温估算结果的自校准，获得碳化硅结温估算值T_j‑校准。本方法能能够实时反馈碳化硅芯片结温，并应用电机控制器内置的NTC传感器进行温度校准。

Description

一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法

技术领域

本发明涉及计算方法，具体涉及一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法。

背景技术

电动汽车、新能源发电、智能电网等领域的快速发展对功率半导体器件的性能和可靠性提出了越来越高的要求。对于电动汽车而言，由于外部环境和运行工况的不确定性，功率半导体器件的应用环境更为严苛。

以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度高、热导率高、击穿场强高等特点，成为高压、高温和高频功率器件的优选材料。这也使得碳化硅芯片在体积更小、尺寸更薄的同时，带来的热聚集效应更强、电流密度更高。因此，碳化硅功率器件的芯片温度监控对其可靠性运行显得尤为重要。基于碳化硅半导体器件的电动汽车电机控制器，一般在陶瓷覆铜板(DBC)上靠近碳化硅芯片的位置安装一个或多个负温度系数(NTC)温度传感器。

从位置上看，NTC温度传感器与碳化硅芯片之间存在一定距离，无法反映碳化硅芯片的真实温度。因此，NTC温度传感器数值只可作为参考温度，碳化硅芯片温度才能表征芯片真实温度。

对现有技术进行解读，结温监控的方法主要集中在四个方面：电路检测法、热网络法、温度估算法和数据驱动法。

电路检测法是利用额外的检测电路，获取阻断漏电流、导通压降等电信号。然后根据结温计算公式，进行功率半导体结温计算。额外的检测电路，要求在半导体集电极和发射极设置采集点，这会改变原有的电路结构，增加成本，同时还会引入电磁兼容(EMC)不可预期的影响。

热网络法是将功率半导体模块的堆叠结构，抽象成为热阻、热容的串并联网络。依据功率半导体模块与冷却***间的传热关系，建立功率半导体模块传热的热网络方程。并将功率半导体的损耗代入所建立的热网络方程，以此得到功率半导体结温。这种方法解决了结温预测中未考虑冷却***、冷却条件的问题，因此更接近实际工况。但是由于热阻、热容并非常数，而是随温度变化非线性取值，所以热网络方程并不完全准确。

温度估算法是利用功率半导体模块的输出电流、输出频率、母线电压等参数，构建损耗模型。并通过各种自适应算法，估算功率半导体结温。这类方法对电机控制器芯片运算实时性要求较高，会占用处理器大量的计算资源。

数据驱动法是利用红外摄影仪、光纤传感器、热电偶等方式，采集大量样本数据。并通过数据拟合或者神经网络训练的方式，构建电流、电压、频率与功率半导体结温之间的函数关系。这种方法过分依赖于样本量，如果样本量出现总体偏差，测量结果将不准确。但如果充分利用NTC传感器采集的实际温度，那么功率半导体结温估算的可信度将大幅提升。

这几种方法存在改变原有的电路结构，增加成本，对电机控制器芯片运算实时性要求高，会占用处理器大量的计算资源，测量结果将不准确等问题。

发明内容

本发明提供一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法，其目的是能够实时反馈碳化硅芯片结温，并应用电机控制器内置的NTC传感器进行温度校准。

本发明的总体思路如下：

基于碳化硅结温计算公式，分析提取对结温计算影响最大的影响因子，并构建结温拟合公式。基于碳化硅黑模块红外试验数据，确定结温拟合公式中的待定参数。利用NTC传感器，对结温拟合公式进行校准以提高估算精度。本发明中，结温拟合公式所需的数据，均由电机控制器现有传感器、主控芯片进行反馈，无需额外增加传感器或者改***件电路结构。

根据结温公式推导分析，可以得到用于碳化硅芯片结温拟合的公式为：

T_j＝f(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,f_s,i,V_dc) (1)

从上述分析可以看出，与碳化硅结温T_j相关的三个因子分别为负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s。通过碳化硅结温试验即可得到结温T_j、负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s的实测数据。再运用公式(1)以结温T_j为输出，以负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s为输入进行数据拟合，就可以确定公式中K₁到K₅系数。以此实现碳化硅结温的在线实时估算。

本发明将利用NTC温度传感器用于碳化硅结温实时估算结果的校准。不同于碳化硅结温无法通过传感器直接测量，NTC温度传感器可实时采集并反馈温度值(NTC传感器所在区域的温度)。在前述碳化硅结温试验中，同时记录结温T_j与NTC实测温度T_NTC-实测，并再次运用公式(1)以NTC温度T_NTC-实测为输出，以负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s为输入进行数据拟合，就可以确定公式中M₁到M₅系数。从而实现NTC温度的实时估算并得到估算结果T_NTC-估算，公式如下：

T_NTC-估算＝f(M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,f_s,i,V_dc) (2)

将上述NTC估算温度T_NTC-估算与NTC实测温度T_NTC-实测进行比较，可得到估算公式所带来的偏差：

T_NTC-偏差＝T_NTC-估算-T_NTC-实测 (3)

将该偏差运用于结温T_j估算结果的补偿，即可完成电机控制器碳化硅结温估算结果的自校准，公式如下：

T_j-校准＝T_j+T_NTC-偏差 (4)。

基于以上思路，本发明的技术方案如下：

一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法，包括如下步骤:

步骤1，数据采集：采集负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s、NTC实测温度T_NTC-实测；

步骤2,记录NTC实测温度T_NTC-实测；

同时，步骤3，计算NTC估算温度，公式如下：

T_NTC-估算＝f(M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,f_s,i,V_dc) (2)

其中，M₁到M₅是NTC温度估算系数；

同时，步骤4，计算碳化硅估算结温，采用碳化硅芯片结温拟合公式，公式如下：

T_j-估算＝f(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,f_s,i,V_dc)

其中，K₁到K₅是结温估算系数；

步骤5，将NTC估算温度T_NTC-估算与NTC实测温度T_NTC-实测进行比较，得到估算公式所带来的偏差，公式如下：

T_NTC-偏差＝T_NTC-估算-T_NTC-实测 (3)

将该偏差运用于结温估算结果T_j-估算的补偿，完成电机控制器碳化硅结温估算结果的自校准，获得碳化硅结温估算值T_j-校准，公式如下：

T_j-校准＝T_j-估算+T_NTC-偏差 (4)。

进一步，所述步骤4的结温估算系数K₁到K₅是事先通过碳化硅结温试验，利用公式(1)，

T_j＝f(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,f_s,i,V_dc) (1)

以NTC温度T_NTC-实测为输出，以负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s为输入进行数据拟合，计算得到，其中T_j是采集得到的碳化硅实际结温。

进一步，所述NTC温度估算系数M₁到M₅是事先通过碳化硅结温试验，利用公式(2)

T_NTC-估算＝f(M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,f_s,i,V_dc) (2)

以NTC温度T_NTC-估算为输出，以负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s为输入进行数据拟合，计算得到。

进一步，结温拟合公式所需的数据，由电机控制器、传感器、主控芯片进行反馈。

综上，本方法根据碳化硅结温计算公式，分析提取对结温计算影响最大的影响因子，并构建结温拟合公式，然后根据碳化硅黑模块红外试验数据，确定结温拟合公式中的待定参数，再利用NTC传感器，对结温拟合公式进行校准以提高估算精度，完成电机控制器碳化硅结温估算结果的自校准，获得碳化硅结温估算值T_j-校准。本方法能够实时反馈碳化硅芯片结温，并应用电机控制器内置的NTC传感器进行温度校准，能减少功率半导体器件热损耗，提高驱动电机***效率同时使功率半导体器件在设计生命周期内安全、可靠运行。

附图说明

图1为通过碳化硅结温试验对碳化硅结温估算流程图。

图2为在车上实时进行碳化硅结温估算(含自校准)的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步的描述：

图1所示的碳化硅结温估算，是在碳化硅功率模块设计时完成的标定，然后在图2的车上实时进行碳化硅结温估算中加以应用。

表1为碳化硅结温试验参数表格。

在进行碳化硅结温试验过程中，可按照表1设置“母线电压”、“电机转速”、“扭矩”，并将该工况下的“负载电流”、“开关频率”、“碳化硅结温”、“NTC温度”进行记载。其中“负载电流”、“母线电压”、“开关频率”分别对应于碳化硅结温估算工作流程所需的输入参数负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s；附件表1的数值为示例，可根据碳化硅结温估算的精度要求，选择性的对试验数据量进行增减。

步骤101：进行碳化硅结温试验，按照表1预先规定的工况开展试验。

表1：

步骤102：数据采集：通过红外测温仪、光纤温度传感器、碳化硅芯片内置温度传感器等手段，采集碳化硅实际结温T_j，负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s、NTC温度T_NTC-实测，根据结温公式推导分析，可以得到用于碳化硅芯片结温拟合的公式为：

T_j＝f(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,f_s,i,V_dc) (1)

步骤103：获得NTC实采温度：NTC温度T_NTC-实测由电机控制器直接采集后运用于下一步计算，公式如下：

T_NTC-估算＝f(M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,f_s,i,V_dc) (2)

步骤104：按照公式(2)，将负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s、NTC温度T_NTC-实测代入公式拟合，计算得到NTC温度估算系数M₁到M₅。

步骤105：按照公式(1)，将负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s、碳化硅结温T_j代入公式拟合，计算得到结温估算系数K₁到K₅。

步骤106：获得NTC估算温度：根据步骤104确定的NTC温度估算系数M₁到M₅，带入公式(2)计算得到实时估算的NTC温度T_NTC-估算。

步骤107：获得碳化硅估算结温：根据步骤105确定的K₁到K₅系数，公式(1)运用于下一步IGBT结温的实时估算T_j-估算。

参见图2，本实施例是具有自校准补偿的碳化硅结温估算过程：

步骤201：由电机控制器直接采集NTC温度T_NTC-实测，以及负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s等，运用于下一步计算。

步骤202：NTC估算温度：根据前面确定的系数M₁到M₅，将公式(2)运用于NTC温度的估算，从而获得T_NTC-估算。

同时，步骤203：碳化硅估算结温：根据前面确定系数K₁到K₅，通过公式(1)用于碳化硅结温的估算，从而获得T_j-估算。

步骤204：对T_NTC-估算进行滤波，从而避免电压、电流、频率等输入信号的波动带来的估算不准确，并使T_NTC-估算与T_NTC-实测之间的跟随性更好。

滤波器具体形式为：

Y(n)＝a·X(n)+(1-a)·Y(n-1)

a表示滤波系数。

Y(n)表示本次滤波输出值

Y(n-1)表示上一次滤波输出值。

步骤205：按照公式(3)，NTC估算温度与NTC实测温度相减得到偏差值。T_NTC-偏差偏差值可以更精确的用于T_j-估算的自校准。

公式为：T_NTC-偏差＝T_NTC-估算-T_NTC-实测 (3)

该偏差值将用于碳化硅估算结温的自校准。

步骤206：补偿校准：按照公式(4)，将T_NTC-偏差用于碳化硅结温T_j-估算的补偿，从而获得更精确的碳化硅结温估算值T_j-校准。

公式如下：

T_j-校准＝T_j-估算+T_NTC-偏差 (4)。

以上，结温拟合公式所需的数据，均由电机控制器、传感器、主控芯片进行反馈，无需额外增加传感器或者改***件电路结构。

Claims

1.一种自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤2,记录NTC实测温度T_NTC-实测；

同时，步骤3，计算NTC估算温度，公式如下：

T_NTC-估算＝f(M₁,M₂,M₃,M₄,M₅,f_s,i,V_dc) (2)

其中，M₁到M₅是NTC温度估算系数，是事先通过碳化硅结温试验，利用公式(2)，以NTC温度T_NTC-估算为输出，以负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s为输入进行数据拟合，计算得到；

同时，步骤4，计算碳化硅估算结温，采用碳化硅芯片结温拟合公式：

T_j-估算＝f(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,f_s,i,V_dc) (1)

其中，K₁到K₅是结温估算系数，是事先通过碳化硅结温试验，利用公式，

T_j＝f(K₁,K₂,K₃,K₄,K₅,f_s,i,V_dc) (5)

以NTC温度T_NTC-实测为输出，以负载电流i、母线电压V_dc、开关频率f_s为输入进行数据拟合，计算得到，其中T_j是采集得到的碳化硅实际结温；

T_NTC-偏差＝T_NTC-估算-T_NTC-实测 (3)

T_j-校准＝T_j-估算+T_NTC-偏差 (4)。

2.根据权利要求1所述的自校准的碳化硅电机控制器结温估算方法，其特征在于，所述步骤1中是通过红外测温仪、光纤温度传感器、碳化硅芯片内置温度传感器采集碳化硅实际结温T_j。