[發明專利]IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法

有效

• 申請號: 201811474055.0
• 申請日: 2018-12-04
• 公開（公告）號: CN109918700B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 劉賓禮;羅毅飛;肖飛;黃永樂;王瑞田;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: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 馬輝

1.一種IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于包括以下步驟：

S1.基于半導體物理與吸放熱定理，建立了IGBT半導體物理模型與微秒級傳熱模型；

S2.根據IGBT半導體物理模型與微秒級傳熱模型，分析短時瞬態微秒級時間尺度內IGBT的傳熱特征，建立適用于短脈沖工況的IGBT短時瞬態微秒級結溫預測模型；

S3.基于所建立的IGBT短時瞬態微秒級結溫預測模型，結合數據手冊，建立了等效開關損耗的IGBT損耗模型與降階的毫秒級傳熱網絡；

S4.基于數據手冊等效開關損耗與降階的毫秒級傳熱網絡，通過分析非穩態毫秒級時間尺度內IGBT的傳熱特征，建立適用于脈沖序列工況的IGBT非穩態毫秒級結溫預測模型；

S5.基于所建立的IGBT非穩態毫秒級結溫預測模型，結合基波周期結溫波動特征，建立秒級IGBT損耗模型與等效一階傳熱網絡；

S6.基于基波周期結溫波動特征與等效一階傳熱網絡，通過分析穩態秒級時間尺度內IGBT的傳熱特征，建立了適用于周期穩態工況的IGBT穩態秒級結溫預測模型。

2.根據權利要求1所述的IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于：IGBT短時瞬態微秒級結溫預測模型是指在短時能量作用下，熱量幾乎全部作用于芯片，未能及時向下傳遞，多指裝置工作于短時脈沖工作模式，時間尺度為微秒級。

3.根據權利要求2所述的IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于，

微秒級熱仿真的IGBT結溫預測模型，如下式所示：

其中，P_Die為實時損耗功率，t為導通時間，C為IGBT芯片層熱容，m為IGBT芯片層質量m＝ρ·d·s，ρ為硅材料的密度，d為芯片厚度，s為芯片面積，Tj為IGBT芯片結溫，Tc為IGBT殼溫。

4.根據權利要求1所述的IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于IGBT非穩態毫秒級結溫預測模型針對熱傳遞狀態介于熱量未能及時向下傳遞短時瞬態與熱量傳遞達到穩態之間的狀態，多指裝置工作于脈沖序列工作模式，時間尺度為毫秒級。

5.根據權利要求4所述的IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于步驟S3包括以下步驟：

根據廠家提供的封裝結構參數，基于電熱比擬理論與熱阻、熱容理論計算式，得到待預測IGBT模塊芯片至基板各層結構參數與時間常數；基于IGBT模塊的熱網絡結構與IGBT傳熱理論模型，通過分析單層RC網絡的運行特性，判斷封裝各層之間的熱傳遞規律，建立適用于非穩態毫秒級熱仿真的IGBT傳熱網絡；

其中，IGBT傳熱網絡所關注的時間尺度為毫秒級狀態下的熱特征，微秒級特征可以忽略不計，忽略反映微秒級熱傳遞規律的熱容，視為無窮大即開路狀態。

6.根據權利要求5所述的IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于步驟S4包括以下步驟：

基于所建立的非穩態毫秒級熱仿真的IGBT傳熱網絡，通過對其進行拉普拉斯變換與反變換，求出芯片結溫與各層溫度；基于所建立的半導體物理模型與器件廠商提供的數據手冊，通過考慮開關能量隨電壓電流的變化規律，基于開關能量與開關時間計算得到IGBT開關損耗；基于數據手冊提供的導通壓降隨電流的變化規律，通過對導通電流與導通電壓積分得到導通損耗；根據上述計算結果，建立IGBT非穩態毫秒級結溫預測模型，

其中，時間尺度為毫秒級，只對開關瞬態微秒級時間尺度內的開關損耗進行等效表征。

7.根據權利要求5所述的IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，其特征在于適用于秒級熱仿真的IGBT結溫預測模型，是針對熱量產生與耗散達到平衡，即熱量傳遞達到穩態。