Vaihtosuuntaajan reaaliaikainen lämpömalli

Vaihtosuuntaajan IGBT-moduulin liitosten lämpötiloja ei voida suoraan mitata, joten niiden arviointiin tarvitaan reaaliaikainen lämpömalli. Tässä työssä on tavoitteena kehittää tähän tarkoitukseen C-kielellä implementoitu ratkaisu, joka on riittävän tarkka ja samalla mahdollisimman laskennallisesti tehokas. Ohjelmallisen toteutuksen täytyy myös sopia erilaisille moduulityypeille ja sen on tarvittaessa otettava huomioon saman moduulin muiden sirujen lämmittävä vaikutus toisiinsa. Kirjallisuuskatsauksen perusteella valitaan olemassa olevista lämpömalleista käytännön toteutuksen pohjaksi lämpöimpedanssimatriisiin perustuva malli. Lämpöimpedanssimatriisista tehdään Simulink-ohjelmalla s-tason simulointimalli, jota käytetään referenssinä muun muassa implementoinnin tarkkuuden verifiointiin. Lämpömalli tarvitsee tiedon vaihtosuuntaajan häviöistä, joten työssä on selvitetty eri vaihtoehtoja häviölaskentaan. Lämpömallin kehittäminen s-tason mallista valmiiksi C-kieliseksi koodiksi on kuvattu tarkasti. Ensin s-tason malli diskretoidaan z-tasoon. Z-tason siirtofunktiot muutetaan puolestaan ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöiksi. Työssä kehitetty monen aikatason lämpömalli saadaan jakamalla ensimmäisen kertaluvun differenssiyhtälöt eri aikatasoille suoritettavaksi sen mukaan, mikä niiden kuvaileman termin vaatima päivitysnopeus on. Tällainen toteutus voi parhaimmillaan kuluttaa alle viidesosan kellojaksoja verrattuna suoraviivaiseen yhden aikatason toteutukseen. Implementoinnin tarkkuus on hyvä. Implementoinnin vaatimia suoritusaikoja testattiin Texas Instrumentsin TMS320C6727- prosessorilla (300 MHz). Esimerkkimallin laskemisen määritettiin kuluttavan vaihtosuuntaajan toimiessa 5 kHz kytkentätaajuudella vain 0,4 % prosessorin kellojaksoista. Toteutuksen tarkkuus ja laskentakapasiteetin vähäinen vaatimus mahdollistavat lämpömallin käyttämisen lämpösuojaukseen ja lisäämisen osaksi muuta jo prosessorilla olemassa olevaa systeemiä.

The junction temperature of an IGBT-module cannot be directly measured so a real-time thermal model must be used to estimate it. This master’s thesis presents an accurate and computationally efficient solution implemented in C-code. The goal of the software implementation is to be easily scalable to different kind of module types and to take account the heating effect of all chips in the multichip module. Based on literature survey a thermal impedance matrix model is the best alternative for real-time application. S-plane Simulink-model is developed and used as a reference model for the C-code implementation. The thermal model needs knowledge of losses of the inverter. The losses of each chip can be calculated with the help of mean value equations or directly from current and switching information. Only the latter is implemented in this thesis. Development process from the s-plane model to final C-code implementation is described in detail. First s-plane model is discretized to z-plane. Z-plane model is then converted to a set of first-order difference equations. Novel multirate implementation developed in this thesis is achieved by dividing first-order difference equations to different time levels according to the time constant of the term that the difference equation corresponds. This kind of implementation can be over five times more computationally efficient than straightforward realization with only one time level where all the calculation happens. As a result, the accuracy of the implementation is good and enables one to do a compromise between accuracy and computational efficiency quite freely. Execution times of the code are investigated using Texas Instruments TMS320C6727-processor (300 MHz). The example model used in this thesis is found to utilize about 0.4 % of the total clock cycles when inverter is working at 5 kHz switching frequency. Accuracy and computational efficiency of the implementation makes it possible to use the model to thermal protection and add it as a new part to the existing system executed in the processor.