[發明專利]IGBT傳熱多時間尺度模型建模方法

有效

• 申請號: 201610662933.6
• 申請日: 2016-08-12
• 公開（公告）號: CN106326532B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 劉賓禮;肖飛;羅毅飛;汪波;段耀強;普靜;孫文;熊又星
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰;李滿

本發明的IGBT傳熱多時間尺度模型建模方法，以器件到裝置對IGBT傳熱模型的不同需求為主線，以器件封裝結構各層時間常數的不同時間尺度為切入點。1、基于經典Cauer傳熱RC網絡結構與傳熱理論，建立適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型；2、對適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型進行簡化，建立適用于組件級熱仿真的IGBT傳熱模型；3、采用3層網絡自然解耦之后的加合量來表征結溫變化規律，建立了適用于裝置級熱仿真的IGBT傳熱數學模型；據本方法建立的適用于器件到裝置級熱仿真的IGBT傳熱多時間尺度數學模型，有助于查明IGBT器件的結溫運行規律，可有效實現電力電子器件到裝置的獨立與聯合仿真。

技術領域

本發明屬于電力電子器件建模與可靠性技術領域，具體地指一種IGBT傳熱多時間尺度模型建模方法。

技術背景

準確高效的仿真模型是完成虛擬仿真、實現精確設計、指導實際應用等功能的重要基礎。在電力電子電能變換領域，不同設計階段和應用背景下，對仿真模型的特性、精度和仿真速度有著不同要求。因此，根據需求提供滿足一定要求的仿真模型是建模工作的關鍵。對于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)器件傳熱模型環節，依據電力電子器件到裝置的級別，對IGBT器件傳熱模型的需求可以劃分為，器件級、組件級和裝置級。器件到裝置級熱仿真對于IGBT器件傳熱模型的需求為仿真精度逐漸降低、仿真速度逐漸提高。器件級熱仿真需要IGBT傳熱模型能夠對芯片結溫的運行規律、封裝結構不同層溫度及不同層之間的動力學作用效應進行仿真，并要求精度高；組件級熱仿真需要IGBT傳熱模型能夠對芯片結溫運行規律進行仿真，但相對于器件級仿真來說，仿真精度降低、仿真速度提高；而對于裝置級熱仿真只需IGBT傳熱模型能夠對其最高結溫進行仿真，以指導散熱和結構設計等，對于IGBT結溫運行規律和開關瞬態過程要求低，并且要求仿真速度更快。所以依據上述特點與需求建立IGBT傳熱模型，對于查明傳熱作用機理與規律、提高模型仿真效率與適用性、實現快速有效的結溫仿真與計算至關重要。

當前關于經典RC傳熱網絡模型的研究報道很多，主要針對如何實現IGBT結溫規律仿真開展研究。通過分析IGBT模塊的封裝類型并獲取結構參數，建立了IGBT模塊Cauer熱網絡結構的行為模型，用于對芯片結溫進行模擬仿真。基于IGBT模塊的Foster網絡結構，考慮電力電子裝置的基本結構，建立了IGBT模塊的溫度估計方法。通過考慮單個模塊的芯片內部布置與三維結構，建立了IGBT模塊三維溫度行為仿真模型。通過測試IGBT模塊的瞬態熱阻抗曲線，以Foster熱網絡結構理論表達式為目標函數，擬合得到Foster熱網絡結構下的熱阻熱容參數，進而基于得到的Foster網絡結構模型對IGBT模塊的結溫行為運行規律進行模擬仿真。綜上，當前研究多針對IGBT模塊的結構與瞬態熱阻抗曲線，建立了其Cauer與Foster熱網絡結構的行為模型，旨在實現IGBT模塊的結溫預測與仿真，但關于適用于不同裝置等級、不同時間尺度的IGBT傳熱模型等研究內容未見報道。因此，本發明依據器件到裝置不同等級對IGBT傳熱模型的仿真需求，建立一種IGBT傳熱多時間尺度數學模型。

發明內容

本發明的目的就是要提供一種IGBT傳熱多時間尺度模型建模方法，該方法以器件到裝置對IGBT傳熱模型的不同需求為主線，以器件封裝結構各層傳熱時間常數的不同時間尺度為切入點，基于熱傳導理論和經典Cauer傳熱RC網絡結構，通過理論推導、合理簡化、研究傳熱動力學作用機制等，建立了適用于器件到裝置級熱仿真的IGBT傳熱多時間尺度模型。依據本方法建立的IGBT傳熱多時間尺度數學模型，有助于查明IGBT器件的傳熱網絡結構特征與結溫運行規律，可有效實現電力電子器件到裝置的獨立與聯合仿真。

為實現此目的，本發明所設計的一種IGBT傳熱多時間尺度模型建模方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：基于經典Cauer傳熱RC網絡結構與傳熱理論，通過建立IGBT器件的Cauer熱網絡結構，并對IGBT器件的Cauer熱網絡結構進行Laplace變換與反變換，建立適用于器件級熱仿真的IGBT傳熱模型；