一种适用于SiC模块寿命评估的结温数据点计算方法与流程

本发明属于sic模块寿命评估，具体涉及一种适用于sic模块寿命评估的结温数据点计算方法。

背景技术：

1、在现有汽车电驱动系统中，sic功率模块得到广泛应用。当前sic模块的离线寿命计算沿用了最常用的igbt模块的离线寿命计算方法，即首先根据给定的路谱工况计算模块的结温tj，然后用雨流法统计不同的结温变化△tj以及△tj对应的频次nf，接着将各个的△tj与其对应的nf带入寿命曲线中，可以得到各个△tj对模块造成的损伤w△tj，最后根据palmgren-miner线性疲劳累积损伤理论，将各个△tj对模块造成的损伤w△tj相加，可以得到总的损伤wtotal，则模块的寿命为1/wtotal。

2、通常路谱中单个循环的时间为小时级别，单个循环中的单个工况点的持续时间为秒级别，而模块的开关周期为百微秒级别，且路谱中低转速(即低基频)出现的次数相对较少。由于路谱单个循环的时间较长，而模块的开关周期较短，若按每个开关周期计算结温，则计算量非常大。因此，为了简化计算，传统计算方法在计算模块结温时，仅计算各个单工况点的结温。考虑到路谱中低基频的工况点较少，传统计算方法忽略了基频结温波动的影响；并且认为所有单工况点的结温都已趋于稳态，即各个单工况点之间相互独立，则通过稳态计算公式即可得到各个单工况点的结温。这种传统的方法存在两个缺点：

3、1、相比于igbt模块，sic模块的芯片面积更小，其热容更小，因此，在相同的基频下，sic模块的基频结温波动将明显大于相同条件下igbt模块的基频结温波动；

4、2、尽管单个工况点的持续时间为秒级别，但部分工况点的持续时间并不长，即真实结温并未达到稳态。这两点会导致结温计算结果的误差较大，并对后续的寿命计算结果产生较大影响。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种适用于sic模块寿命评估的结温数据点计算方法。传统计算方法在简化计算模块结温时，仅计算各个单工况点的结温，忽略了基频结温波动的影响，并且认为各个单工况点的结温都已趋于稳态，这会对最终的寿命计算结果产生较大影响。本发明通过2脉冲近似法以及各单工况点的结温迭代计算，可以得到包含基频结温波动的结温数据点，并且所有单工况点的结温都动态收敛。本发明的结温数据点计算方法可通过计算机程序轻松实现。

2、为达到以上目的，本发明提供一种适用于sic模块寿命评估的结温数据点计算方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：计算平均损耗，sic模块的总平均损耗p由正向导通时的平均损耗p1以及反向续流时的平均损耗p2组成，即p＝p1+p2；其中，正向导通时的平均损耗p1包括mos的导通损耗pcond和mos的开关损耗psw，即p1＝pcond+psw；反向续流时的平均损耗p2包括第三象限导通损耗p3rd和diode反向恢复损耗prec，即p2＝p3rd+prec；

4、设sic模块在不同结温下的动静态曲线已标定并拟合好，则得到各个平均损耗的计算公式满足：

5、

6、式中，i为电流，m为调制比，为功率因数，tj为结温，fsw为开关频率，vdc为母线电压；

7、将一个路谱循环中的各个工况点的数据代入各个平均损耗公式，获得第k个工况点中在持续时间tk后的平均损耗满足：

8、

9、设第k个工况点中在持续时间tk后的总平均损耗为pk，正向导通时的平均损耗p1k，反向续流时的平均损耗p2k，则由上式(2)知：

10、

11、设tjbase为用于计算平均损耗时的平均结温，则将tjbase代入上式(3)得，

12、

13、步骤s2：计算平均结温，设sic模块的热阻抗曲线已标定并拟合好，拟合阶数为m阶，则sic模块的热阻抗曲线zth(t)表示为：

14、

15、式中，rthν为第ν阶的热阻，τthν为第ν阶的时间常数；

16、设tjavgk为第k个工况点中在持续时间tk后的平均结温，则tjavg(k-1)为第k个工况点初始时刻的平均结温，设δtjfavgk为第k个工况点中在持续时间tk后的平均结温tjavgk与水温tfk的差值，即δtjfavgk＝tjavgk-tfk，则tjfavg(k-1)为第k个工况点初始时刻的平均结温tjavg(k-1)与水温tfk(k-1)的差值，令第一个工况点的初始时刻的平均结温为第一个工况点的水温，即tjavg0＝tf1，则根据三要素公式得：

17、

18、式中，pk＝f1234k(tjavgk)，即tjbase＝tjavgk；

19、设第k个工况点中，tjbase＝tjavg(k-1)，则将tjbase＝tjavg(k-1)代入式(4)得到在平均结温tjbase下的pk，将得到的pk代入式(6)得到tjavgk，由于计算损耗pk时用的tjbase并非tjavgk，因此将计算得到的tjavgk再次代入式(4)，即令tjbase＝tjavgk，重复此迭代过程，则得到满足精度要求的pk、tjavgk以及对应的p1k、p2k，迭代收敛的判定条件为：

20、|tjavgk-tjbase|＜tjconv k＝1,2,…,n(7)；

21、式中，tjconv为迭代收敛的限值；

22、步骤s3：计算基频结温波动，(附图2为采用2脉冲近似法计算结温波动的示意图，附图2中)损耗脉冲周期为to，pp1为sic模块正向导通时的平均损耗p1的2倍，即pp1＝2p1；pp2为sic模块反向续流时的平均损耗p2的2倍，即pp2＝2p2；pavg为sic模块的总平均损耗p，即pavg＝p；rth_total为sic模块的稳态热阻，即tjavg为t＝0时的结温，tjp1为t＝1.5to时的结温，tjp2为t＝2to时的结温；将t＝0.5to,to,1.5to,2to分别代入式(5)得到对应的动态热阻抗zth(0.5to),zth(to),zth(1.5to),zth(2to)(注：附图2仅做为示意图，附图2中的pp1>pp2。若pp1≤pp2也是可以的，不影响计算)；

23、由2脉冲近似法得到tjp1和tjp2满足：

24、

25、式中，tjmax为包含基频结温波动的最大结温，tjmin为包含基频结温波动的最小结温；

26、设基波频率fok对应基波周期为tok，k＝1,2,…,n，则有：

27、

28、将式(9)的tok以及步骤s2计算得到的pk、p1k、p2k、tjavgk代入式(8)，得到：

29、

30、式中，tjmaxk和tjmink分别为第k个工况点包含基频结温波动的最大结温和最小结温；

31、设第k个工况点的结温波动为δtjswingk，在持续时间tk内δtjswingk对应的频次为nfk，k＝1,2,…,n，则有：

32、

33、步骤s4：计算用于雨流统计的结温数据点，设最终用于雨流统计的结温数据点为tjcalk，k＝1,2,…,n，则有：

34、

35、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，最终输出的数据为步骤s3中的δtjswingk、nfk以及步骤s4中的tjcalk，其中：

36、步骤s3中的δtjswingk和对应的nfk数据直接代入寿命曲线，计算出δtjswingk对模块造成的损伤；步骤s4中的tjcalk则用于雨流统计；设雨流统计后得到的结温变化和对应的频次分别为δtjcall和nfl，则将δtjcall和对应的nfl代入寿命曲线，计算出δtjcall对模块造成的损伤，将δtjswingk造成的损伤和δtjcall造成的损伤相加，得到总的损伤wtotal，则模块的寿命为1/wtotal。

37、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，tjconv＝0.1(为兼顾计算精度与迭代计算速度，通常可取tjconv＝0.1)

38、为达到以上目的，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述适用于sic模块寿命评估的结温数据点计算方法的步骤。

39、为达到以上目的，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述适用于sic模块寿命评估的结温数据点计算方法的步骤。