MOSFET结温估算方法及系统与流程

mosfet结温估算方法及系统
技术领域
1.本发明涉及功率器件过温保护领域，尤其是mosfet结温估算方法及系统。


背景技术：

2.在电机控制器运行过程中，需实时监测功率器件mosfet的结温来做过温保护，防止功率器件mosfet过温失效。
3.现有技术中进行结温估算的方法通常是通过建立等价于mosfet的瞬态热阻抗模型，然后向瞬态热阻抗模型输入具有实际功率的实际输入信号来导出mosfet的结温，瞬态热阻抗模型的输出表示mosfet的估算结温。
4.具体是根据如下公式来估算得到结温：
5.tj＝tc+p
×
rjc＝tc+δtjc或者tj＝ta+p
×
rja＝δtja+ta
6.其中，tj是结温(℃)，tc是壳体温度(℃)，p是mosfet的功耗，δtjc是在施加p时，结温升高的值；rjc结壳之间的热阻；ta是环境温度；rja是结与环境之间的热阻。
7.但是，由于实际的功耗很难实时准确的获取，因此，很容易造成计算得到的结温的误差较大，甚至大于
±
10℃，不能满足实际过温保护的需要。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种mosfet结温估算方法及系统。
9.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
10.mosfet结温估算方法，包括如下步骤：
11.s1，获取mosfet附近的ntc热敏电阻测得的温度tntc；
12.s2，根据所述温度tntc确定温度补偿值offset；
13.s3，根据获取的相电流计算结温增加的温度值
△
tj；
14.s4，根据获取的温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj计算得到所述mosfst的结温tj。
15.优选的，所述s1中，所述ntc热敏电阻设置于电机控制器的pcb板的每相的上桥臂的mosfet旁。
16.优选的，所述s2中，通过查询ntc温度与温度补偿值关系表来确定在相电流为0时，与所述温度tntc匹配的温度补偿值。
17.优选的，所述s2中，采用分块查表从ntc温度与温度补偿值关系表中查询与所述温度tntc匹配的温度补偿值。
18.优选的，所述s2中，所述ntc温度与温度补偿值关系表按照ntc热敏电阻的温度来分块，对于不大于20℃的热敏电阻ntc测得的温度tntc，按照第一温度间隔进行数据分块，对于大于20℃的热敏电阻ntc测得的温度tntc，按照第二温度间隔进行数据分块，所述第一温度间隔大于第二温度间隔。
19.优选的，所述s3中，所述相电流经过均值滤波处理得到。
20.优选的，所述s3中，所述结温增加的温度值
△
tj根据如下公式计算：
[0021][0022]
其中，δtjk为k时刻求得的结温增加的温度值
△
tj；ik为k时刻的相电流；r为热阻参数，t为采样周期，δtj
k-1
为k-1时刻求得的结温增加的温度值；c为热容参数。
[0023]
优选的，所述s3中，计算所述结温增加的温度值
△
tj所需的rc参数是通过查询相电流与rc参数关系表得到。
[0024]
优选的，所述s4中，根据公式tj＝tntc+
△
tj-offset计算得到所述mosfst的结温。
[0025]
mosfet结温估算装置，包括：
[0026]
采集单元，用于获取mosfet附近的ntc热敏电阻测得的温度tntc；
[0027]
温度补偿值计算单元，用于根据所述温度tntc确定温度补偿值offset；
[0028]
传递温度计算单元，用于根据获取的相电流计算结温增加的温度值
△
tj；
[0029]
结温计算单元，用于根据获取的温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj计算得到所述mosfst的结温tj。
[0030]
本发明技术方案的优点主要体现在：
[0031]
本发明的估算方法无需采用功率损耗来计算结温，而是采用相电流作为模型的输入，并且通过温度补偿值来进行温度补偿，相对于功率损耗作为输入，本方法估算得到的结温的误差值能够控制在
±
5℃，误差更小，精度更高。
[0032]
本发明采用均值滤波来计算得到相电流，能够有效地避免噪声干扰，提高结温增加的温度值
△
tj的计算精度，进而有利于改善结温的估算精度。
[0033]
本发明的温度补偿值offset采用查表方式获取，更容易实现，且查表过程中，采用分区查表的方式，且低温时，采用大的温度间隔对数据进行分块，高温时，采用小的温度间隔进行温度分块，更有利于实现效率和精度的兼容。
[0034]
本发明确定的rc参数能够有效地使确定的rc参数与相电流相匹配，从而保证结温增加的温度值
△
tj的计算精度，同时采用查表的方式来确定相电流对应的rc参数，操作简单，省去了实时计算的过程，效率高。
附图说明
[0035]
图1是本发明的电机控制器的pcb板上在上桥臂处的mosfet旁设置ntc热敏电阻的示意图；
[0036]
图2是本发明的相电流及结温增加的温度值
△
tj随时间的变化曲线示意图；
[0037]
图3是本发明的rc热网络模型的示意图；
[0038]
图4是本发明的方法过程示意图。
具体实施方式
[0039]
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
[0040]
在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
下面结合附图对本发明揭示的mosfet结温估算方法进行阐述，本实施例中，所述估算方法是用于风冷式电机控制系统的电机控制器的pcb板上的每相的上、下桥臂处的mosfet10的结温估算，该电机控制器的控制对象为双三相混合励磁电机，其共使用12颗mosfet。当然也可以用于其他pcb板上任一位置的mosfet10的结温估算。
[0042]
本发明针对toll封装式的mosfet的结温估算，由于电机控制系统采用风冷方式，冷却介质为风道中的空气，不容易布置温度传感器测量电机控制器温度作为环境温度；即使测量得到环境温度，由于风速随着转速变化，会引起heatsink(散热器)与风道之间的rc参数在不同转速下发生较大变化，给结温估算带来较大困难。而且mosfet10底部到heatsink(散热器)之间均为非均导热材料，难以建立各个层的rc热网络模型。因此，本方法不再分层建立从pn结到ntc的各层的rc热网络模型，而是将pn结到ntc之间的各层看作一个整体，进行标定实验，从实验数据中辨识出rc热网络模型的阶次，然后找到pn结与ntc之间的热数学模型关系，最后在嵌入式mcu中用软件实现热数学模型算法，从而实时计算得到结温。这样就无需设置测量环境温度的ntc热敏电阻和单独建立各层不同导热系数的材料的rc热网络模型。具体的，如附图1所示，可以采用在所述mosfet10旁放置ntc热敏电阻20并以ntc热敏电阻20测得的温度来代替rc热网络模型中的环境温度。
[0043]
进一步，通过对相电流大小以及实际结温与和其对应的ntc热敏电阻20测得的温度的差值进行研究发现它们存在如附图2所示的关系。其中，所述实际结温可以在标定实验中通过贴在mosfet漏极金属上的热电偶或通过红外测温等测得；而所述电机控制器采用foc控制算法可以非常方便且准确地得到各种运行工况下的相电流幅值，故可以用相电流is代替功率损耗作为rc热网络模型的输入。
[0044]
通过对相电流is及实际结温与和其对应的ntc热敏电阻20测得的温度的差值的实验数据进行系统辨识，得到的为一阶数学模型，从而可以确定如附图3所示的rc热网络模型，系统辨识为已知技术，此处不作赘述。
[0045]
进一步，在标定实验中，发明人发现：在流过mosfet的电流为0时，热电偶采集得到mosfet10的实际结温与该mosfet旁的ntc热敏电阻20测得的温度tntc之间存在一定的差值(tj
实-tntc)，并且这个差值随环境温度的变化而变化。因此，在后续估算mosfet10的结温时，需要将mosfet10的实际结温与该mosfet旁的ntc热敏电阻20测得的温度tntc之间的差值作为温度补偿值offset来对结温进行补偿。
[0046]
因此，所述估算方法包括如下步骤：
[0047]
s1，获取mosfet10附近的ntc热敏电阻20测得的温度tntc；
[0048]
s2，根据所述温度tntc确定温度补偿值offset；
[0049]
s3，根据获取的相电流计算结温增加的温度值
△
tj；
[0050]
s4，根据获取的温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj计算得到所述mosfst的结温tj。
[0051]
发明人通过实验数据发现：由于pcb板的layout(布局)原因，每相上桥壁处的mosfet10的结温比下桥臂处的mosfet10的结温要高，因此，为了以更简单的结构和更少的计算量来达到保护目的，在所述s1中，只需估算每相上桥臂处的mosfet10结温即可，即如附图3所示，只要在每相上桥臂处的mosfet10旁设置ntc热敏电阻20并获取其测得的温度数据来代替环境温度进行计算即可。
[0052]
所述s2中，是在获得标定实验数据的基础上，获取在相电流为0时，不同环境温度下的实际结温和ntc热敏电阻测得的温度的差值。在进行mosfet10的实际结温与该mosfet旁的ntc热敏电阻20测得的温度tntc之间的差值标定和获取时，是将电机控制系统总成放入温箱，将母线电压、转矩和电压均设置为0，将环境温度从105℃降到-40℃，在整个实验过程中，获取每个mosfet10对应的热电偶及与其对应的ntc热敏电阻20测得的温度值及两者的差值并存储得到ntc温度与温度补偿值关系表中。
[0053]
因此，在所述s2中，是通过查表的方式确定与所述温度tntc匹配的温度补偿值offset。查表时，将一mosfet10对应的ntc热敏电阻20当前测得的温度tntc作为输入，然后通过线性查表得到该温度tntc对应的温度补偿值offset。
[0054]
为了提高查表效率，所述s2中，采用分块查表从ntc温度与温度补偿值关系表中查询与所述温度tntc匹配的温度补偿值。分块查表技术的具体实现为已知技术，此处不作赘述。
[0055]
考虑到电机控制器工作温度范围跨度较大，通常温度跨度在-40℃-150℃之间，且低温下电机控制器不会发生热失效，所以为了进一步提高查表精度和效率，所述ntc温度与温度补偿值关系表按照ntc热敏电阻20的温度来分块，对于不大于20℃的热敏电阻ntc测得的温度tntc，按照第一温度间隔进行数据分块，对于大于20℃的热敏电阻ntc测得的温度tntc，按照第二温度间隔进行数据分块，所述第一温度间隔大于第二温度间隔。
[0056]
例如：所述ntc温度与温度补偿值关系表中的数据按照-20℃～0℃，0℃～20℃，20℃～25℃，25℃～30℃，30℃～40℃，40℃～50℃，50℃～60℃，60℃～70℃，70℃～80℃，80℃～90℃，90℃～105℃，105℃～111℃的规则来分块。举例来看，标定实验中ntc热敏电阻测得的温度在-20～0℃之间时，将该温度值及其对应的数据(实际结温、温度补偿值)存储在-20～0℃的分块中。
[0057]
所述s3中，是将系统辨识得到的频域中的一阶rc传递函数转换到离散域中，并用c语言实现以进行结温增加的温度值
△
j计算。
[0058]
所述结温增加的温度值
△
tj具体根据如下公式计算：
[0059][0060]
其中，δtjk为k时刻求得的结温增加的温度值
△
tj；ik为k时刻的相电流；r为热阻参数，t为采样周期，δtj
k-1
为k-1时刻求得的结温增加的温度值；c为热容参数。
[0061]
所述式(1)的具体推导过程如下：
[0062]
在连续域中，foster模型中某一结点的rc热网络表达式如式(2)所示：
[0063][0064]
通过后向差分法实现离散化，具体是将如下式(3)代入到上述连续域的rc热网络
表达式(2)中得到式(4)：
[0065][0066][0067]
接着进行z逆变换：
[0068]
将展开得到如下式(5)：
[0069]
δtj
·
[rc
·
(1-z-1
)+t]＝is·r·
t
ꢀꢀꢀ
(5)；
[0070]
由(5)整理可得式(6)：
[0071][0072]
最后利用滞后定理，将式(6)转化为离散时域表达式得上述式(1)，此处后向差分法、z逆变换及滞后定理均为已知技术的利用，此处不作详细介绍。
[0073]
而在确定相电流时，在foc控制算法中，是将采集的三相交流电流经过已知数学坐标变换，转化为直角坐标系下的d轴电流id和q轴电流iq，将d轴电流id和q轴电流iq代入公式即可计算得到相电流is。
[0074]
由于d轴电流id和q轴电流iq的采样频率为10khz，有较大噪声，如果直接使用相电流is，会导致计算出的结温增加的温度值
△
tj含有高频噪声，这与温度变化的物理特性是不一致的。
[0075]
因此，所述s3中，使用均值滤波对相电流is进行滤波，均值滤波的具体实现和原理为已知技术，此处不作赘述。本发明中滤波长度为1500个采样点，具体的，是获得1500个d轴电流id的平均值和1500个q轴电流iq的平均值后再用它们的平均值来计算得到相电流i s。
[0076]
另外，在计算过程中，rc参数也是影响估算结果的关键要素，从目前测试结果来看，当输入电流不同时，rc参数在不同相电流值下会发生变化，本发明中会标定不同工况下的两个不同相电流值对应的rc参数，然后使用线性拟合方式，得到不同相电流值之下的rc参数并存储得到相电流与rc参数关系表中。
[0077]
在进行标定实验时，是根据如下表(1)所示的标定工况，获取相电流is，ntc测得的温度tntc和实际结温(热电偶测得)的数据，并将is作为rc热网络模型的输入，将热电偶测得的实际结温与ntc测得的温度tntc的差值作为rc热网络模型的输出，使用matlab辨识得到每个工况下与相电流对应的rc参数，然后通过线性拟合得到相电流分别与rc参数的关系式，根据关系式即可确定不同相电流对应的rc参数并存储在相电流与rc参数关系表中。后续在确定相电流ts后，通过线性查询相电流与rc参数关系表来确定该相电流is对应的rc参数并代入上述计算公式(1)中计算得到结温增加的温度值
△
tj。
[0078][0079][0080]
表(1)：其中，derginfo_u16≠0为由电机温升引起的降额时，将电机转矩清零。
[0081]
所述s4中，在确定所述温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj后，根据台架实际标定结果，将它们代入公式tj＝tntc+
△
tj-offset即可计算得到所述mosfst的结温tj。
[0082]
实施例2
[0083]
本实施例揭示了一种mosfet10结温估算装置，其包括：
[0084]
采集单元，用于获取mosfet10附近的ntc热敏电阻20测得的温度tntc；
[0085]
温度补偿值计算单元，用于根据所述温度tntc确定温度补偿值offset；
[0086]
传递温度计算单元，用于根据获取的相电流计算结温增加的温度值
△
tj；
[0087]
结温计算单元，用于根据获取的温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj计算得到所述mosfst的结温tj。
[0088]
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.mosfet结温估算方法，其特征在于：包括如下步骤：s1，获取mosfet附近的ntc热敏电阻测得的温度tntc；s2，根据所述温度tntc确定温度补偿值offset；s3，根据获取的相电流计算结温增加的温度值
△
tj；s4，根据获取的温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj计算得到所述mosfst的结温tj。2.根据权利要求1所述的mosfet结温估算方法，其特征在于：所述s1中，所述ntc热敏电阻设置于电机控制器的pcb板的每相的上桥臂的mosfet旁。3.根据权利要求1所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s2中，通过查询ntc温度与温度补偿值关系表来确定与所述温度tntc匹配的温度补偿值。4.根据权利要求3所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s2中，采用分块查表从ntc温度与温度补偿值关系表中查询与所述温度tntc匹配的温度补偿值。5.根据权利要求3所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s2中，所述ntc温度与温度补偿值关系表按照ntc热敏电阻的温度来分块，对于不大于20℃的热敏电阻ntc测得的温度tntc，按照第一温度间隔进行数据分块；对于大于20℃的热敏电阻ntc测得的温度tntc，按照第二温度间隔进行数据分块，所述第一温度间隔大于第二温度间隔。6.根据权利要求1所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s3中，所述相电流经过均值滤波处理得到。7.根据权利要求1所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s3中，所述结温增加的温度值
△
tj根据如下公式计算：其中，δtj
k
为k时刻求得的结温增加的温度值
△
tj；i
k
为k时刻的相电流；r为热阻参数，t为采样周期，δtj
k-1
为k-1时刻求得的结温增加的温度值；c为热容参数。8.根据权利要求1所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s3中，计算所述结温增加的温度值
△
tj所需的rc参数是通过查询相电流与rc参数关系表得到。9.根据权利要求1-8任一所述的mosfet结温确定方法，其特征在于：所述s4中，根据公式tj＝tntc+
△
tj-offset计算得到所述mosfst的结温。10.mosfet结温估算装置，其特征在于：包括：采集单元，用于获取mosfet附近的ntc热敏电阻测得的温度tntc；温度补偿值计算单元，用于根据所述温度tntc确定温度补偿值offset；传递温度计算单元，用于根据获取的相电流计算结温增加的温度值
△
tj；结温计算单元，用于根据获取的温度tntc、温度补偿值offset及结温增加的温度值
△
tj计算得到所述mosfst的结温tj。

技术总结
本发明揭示了MOSFET结温估算方法及系统，其中MOSFET结温估算方法包括如下步骤：S1，获取MOSFET附近的NTC热敏电阻测得的温度Tntc；S2，根据所述温度Tntc确定温度补偿值Offset；S3，根据获取的相电流计算结温增加的温度值


技术研发人员：刘永飞 王太斌 张雪
受保护的技术使用者：耐世特汽车系统（苏州）有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/25