[發明專利]一種電熱耦合瞬態仿真模型的建立方法

在審

• 申請號: 201710208797.8
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN108664675A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 申越
• 申請（專利權）人: 上海北京大學微電子研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種電熱耦合瞬態仿真模型的建立方法，其特征在于：所述方法包括：建立IGBT瞬態等效電模型；建立反并聯二極管瞬態等效電模型；建立IGBT及反并聯二極管瞬態等效傳熱模型；建立IGBT及反并聯二極管瞬態電熱耦合模型；按照功率器件及模塊電路連接結構，建立IGBT器件和模塊電熱耦合模型。本發明提供的適用于系統仿真的功率器件及模塊電熱耦合瞬態仿真模型，不僅可以模擬電路仿真中功率器件及模塊的各種工作狀態，還可以在仿真時域內實時計算其功耗和結溫，并考慮兩者間的相互耦合關系，在仿真結果中精確地呈現出功率器件及模塊的功耗和結溫曲線，方便工程設計人員在系統設計中分析熱可靠性情況。

技術領域

本發明涉及電力電子技術仿真領域，具體涉及一種適用于系統仿真、基于Saber平臺的功率器件及模塊電熱耦合瞬態仿真模型的建立方法。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）兼具功率MOSFET與雙極型器件GTR的雙重優點，具有輸入阻抗高、耐高壓、承受電流容量大、開關速度快等特性，受到了越來越多的關注和研究。在當前電力電子技術領域，高壓IGBT與二極管構成的開關器件及模塊已經廣泛應用于各種電壓源型電力電子變換裝置中。因此，仿真模型的研究對于功率器件及模塊的選型和系統的設計具有重要的意義。

在使用過程中，功率器件及模塊的功耗主要來源于內部的功率開關管和二極管，功率開關管和二極管的損耗包括導通損耗和開關損耗，功率器件及模塊的損耗對于其應用至關重要。結溫(Junction Temperature)是衡量從半導體芯片到封裝器件外殼間的散熱所需時間以及熱阻的重要指標。如果工作溫度超過允許的最高結溫，器件及模塊就可能會被破壞，隨即失效。所以，對于功率器件及模塊的設計和應用來說，有必要計算損耗并對結溫進行仿真。然而，目前尚沒有專門的針對功率模塊的損耗和結溫仿真的工具。

目前，在電力電子器件的建模研究中，多采用數學物理模型。數學物理模型是利用半導體物理學知識對載流子的電學行為進行簡化得到解析表達式進而求解物理方程，其參數獲取對于缺少器件物理知識的用戶來說非常困難，且模型含有復雜的半導體物理方程，計算量大，仿真時間長，存在計算收斂等問題。

發明內容

為了滿足現有技術的需求，針對背景技術中所述的缺少熱仿真以及數學物理模型參數提取過于復雜的問題，本發明提供了一種電熱耦合瞬態仿真模型的建立方法。所述方法包括：

建立IGBT瞬態等效電模型；

建立反并聯二極管瞬態等效電模型；

建立IGBT及反并聯二極管瞬態等效傳熱模型；

建立IGBT及反并聯二極管瞬態電熱耦合模型；

按照功率器件及模塊電路連接結構，建立IGBT器件和模塊電熱耦合模型。

進一步的，所述建立IGBT瞬態等效電模型中，IGBT瞬態等效電模型可等效為由NMOSFET和PNP雙極型晶體管復合而成，所述IGBT導通時，電子流動產生的電流通路In，對應于MOSFET結構；空穴流動產生的電流通路Ip，對應于BJT結構。

進一步的，IGBT的通態電流Ic，其表達式如下：

If(vge<vt),Ic=0

If(vge>=vt&vce<vge-vt),Ic=K*(vge-vt-vce/2)*vce

If(vge>=vt&vce>=vge-vt),Ic=(K*(vge-vt)^2)/2

其中，K=(1+β)Kp，vge=v(g)-V(e)，為柵極和發射極之間的電壓差，vt為IGBT的閾值電壓，vce=v(c)-v(e)，為集電極和發射極之間的電壓差，Kp為MOSFET跨導，β為PNP晶體管的電流增益，Ic為流過IGBT的電流集電極電流。