[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

本發明涉及一種IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法。依據不同時間尺度下關注的重點，結合不同時間尺度下IGBT的損耗與傳熱特征，建立了一種基于損耗與傳熱特征的IGBT多時間尺度結溫預測模型，包括基于半導體物理模型與吸放熱定理的短時瞬態微秒級結溫預測模型；基于數據手冊等效開關損耗與降階傳熱網絡的非穩態毫秒級結溫預測模型；基于基波周期結溫波動特征與等效一階傳熱網絡的穩態秒級結溫預測模型。通過設計與搭建實驗系統在相應時間尺度下對模型進行了實驗驗證，仿真與實驗結果驗證了模型的正確性與有效性。所提出的IGBT多時間尺度結溫預測模型，實現了不同時間尺度與不同應用環境下可行、高效的IGBT結溫仿真與計算。

技術領域

本發明涉及電力電子器件建模技術領域，具體涉及一種 IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法。

背景技術

提出了越來越高的要求，實現該目標的基礎是建立電力電子系統核心部件-IGBT器件的精確模型。而熱特征是影響電力電子器件運行特性的重要因素，是表征電力電子器件健康狀態的重要參量。在不同應用背景和不同時間尺度下，設計與應用者關注的細節與重點不同。因此，根據不同應用背景和時間尺度，基于IGBT器件的損耗與傳熱特征，建立滿足設計與應用者要求的IGBT多時間尺度結溫預測模型，以實現仿真速度和精度的有效協調和統一，對于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IGBT傳熱與結溫模型的報道較多，主要針對單一時間尺度下的IGBT傳熱特性進行了建模，但涉及IGBT多時間尺度結溫預測問題的論述較少。根據應用的對象不同，將 IGBT傳熱模型分為電路級、系統級和環境級三個等級，電路級到環境級傳熱模型逐漸簡化，分別對相應環境下的IGBT結溫進行表征；基于電力電子器件到系統的等級不同，將傳熱模型分為器件級、組件級和系統級，根據不同等級關注的重點不同，建立了滿足精度和速度要求的傳熱模型，對于提高仿真效率具有一定的意義，但其不能指導不同時間尺度下的結溫預測與仿真；從功率器件的開關特性出發，根據時間尺度的不同選取不同的瞬態模型描述器件的開關瞬態過程，并反映其對應階段的開關特性，該報道只針對IGBT器件的開關電氣特性進行了多時間尺度建模；提出了一種多時間尺度IGBT器件模型的仿真實現方法，并總結歸納出了各時間尺度模型的應用場合，該報道只針對功率器件開關電氣特性多時間尺度仿真方法進行了研究。

發明內容

本發明的目的就是針對現有技術的缺陷，提供一種IGBT 多時間尺度結溫預測模型建模方法，實現了不同時間尺度與不同應用環境下可行、高效的IGBT結溫仿真與計算。

本發明提供了一種IGBT多時間尺度結溫預測模型建模方法，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。

上述技術方案中，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。