[发明专利]IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法

权利要求书

1.一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.基于半导体物理与吸放热定理，建立了IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型；

S2.根据IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型，分析短时瞬态微秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于短脉冲工况的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型；

S3.基于所建立的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型，结合数据手册，建立了等效开关损耗的IGBT损耗模型与降阶的毫秒级传热网络；

S4.基于数据手册等效开关损耗与降阶的毫秒级传热网络，通过分析非稳态毫秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于脉冲序列工况的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型；

S5.基于所建立的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，结合基波周期结温波动特征，建立秒级IGBT损耗模型与等效一阶传热网络；

S6.基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络，通过分析稳态秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立了适用于周期稳态工况的IGBT稳态秒级结温预测模型。

2.根据权利要求1所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于：IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型是指在短时能量作用下，热量几乎全部作用于芯片，未能及时向下传递，多指装置工作于短时脉冲工作模式，时间尺度为微秒级。

3.根据权利要求2所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于，

微秒级热仿真的IGBT结温预测模型，如下式所示：

其中，P_Die为实时损耗功率，t为导通时间，C为IGBT芯片层热容，m为IGBT芯片层质量m＝ρ·d·s，ρ为硅材料的密度，d为芯片厚度，s为芯片面积，Tj为IGBT芯片结温，Tc为IGBT壳温。

4.根据权利要求1所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于IGBT非稳态毫秒级结温预测模型针对热传递状态介于热量未能及时向下传递短时瞬态与热量传递达到稳态之间的状态，多指装置工作于脉冲序列工作模式，时间尺度为毫秒级。

5.根据权利要求4所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于步骤S3包括以下步骤：

根据厂家提供的封装结构参数，基于电热比拟理论与热阻、热容理论计算式，得到待预测IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数；基于IGBT模块的热网络结构与IGBT传热理论模型，通过分析单层RC网络的运行特性，判断封装各层之间的热传递规律，建立适用于非稳态毫秒级热仿真的IGBT传热网络；

其中，IGBT传热网络所关注的时间尺度为毫秒级状态下的热特征，微秒级特征可以忽略不计，忽略反映微秒级热传递规律的热容，视为无穷大即开路状态。

6.根据权利要求5所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于步骤S4包括以下步骤：

基于所建立的非稳态毫秒级热仿真的IGBT传热网络，通过对其进行拉普拉斯变换与反变换，求出芯片结温与各层温度；基于所建立的半导体物理模型与器件厂商提供的数据手册，通过考虑开关能量随电压电流的变化规律，基于开关能量与开关时间计算得到IGBT开关损耗；基于数据手册提供的导通压降随电流的变化规律，通过对导通电流与导通电压积分得到导通损耗；根据上述计算结果，建立IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，

其中，时间尺度为毫秒级，只对开关瞬态微秒级时间尺度内的开关损耗进行等效表征。

7.根据权利要求5所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于适用于秒级热仿真的IGBT结温预测模型，是针对热量产生与耗散达到平衡，即热量传递达到稳态。