[发明专利]IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法

说明书

本发明涉及一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法。依据不同时间尺度下关注的重点，结合不同时间尺度下IGBT的损耗与传热特征，建立了一种基于损耗与传热特征的IGBT多时间尺度结温预测模型，包括基于半导体物理模型与吸放热定理的短时瞬态微秒级结温预测模型；基于数据手册等效开关损耗与降阶传热网络的非稳态毫秒级结温预测模型；基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络的稳态秒级结温预测模型。通过设计与搭建实验系统在相应时间尺度下对模型进行了实验验证，仿真与实验结果验证了模型的正确性与有效性。所提出的IGBT多时间尺度结温预测模型，实现了不同时间尺度与不同应用环境下可行、高效的IGBT结温仿真与计算。

技术领域

本发明涉及电力电子器件建模技术领域，具体涉及一种 IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法。

背景技术

提出了越来越高的要求，实现该目标的基础是建立电力电子系统核心部件-IGBT器件的精确模型。而热特征是影响电力电子器件运行特性的重要因素，是表征电力电子器件健康状态的重要参量。在不同应用背景和不同时间尺度下，设计与应用者关注的细节与重点不同。因此，根据不同应用背景和时间尺度，基于IGBT器件的损耗与传热特征，建立满足设计与应用者要求的IGBT多时间尺度结温预测模型，以实现仿真速度和精度的有效协调和统一，对于提高模型仿真效率与适用性、实现快速有效的结温仿真与计算至关重要。

当前关于IGBT传热与结温模型的报道较多，主要针对单一时间尺度下的IGBT传热特性进行了建模，但涉及IGBT多时间尺度结温预测问题的论述较少。根据应用的对象不同，将 IGBT传热模型分为电路级、系统级和环境级三个等级，电路级到环境级传热模型逐渐简化，分别对相应环境下的IGBT结温进行表征；基于电力电子器件到系统的等级不同，将传热模型分为器件级、组件级和系统级，根据不同等级关注的重点不同，建立了满足精度和速度要求的传热模型，对于提高仿真效率具有一定的意义，但其不能指导不同时间尺度下的结温预测与仿真；从功率器件的开关特性出发，根据时间尺度的不同选取不同的瞬态模型描述器件的开关瞬态过程，并反映其对应阶段的开关特性，该报道只针对IGBT器件的开关电气特性进行了多时间尺度建模；提出了一种多时间尺度IGBT器件模型的仿真实现方法，并总结归纳出了各时间尺度模型的应用场合，该报道只针对功率器件开关电气特性多时间尺度仿真方法进行了研究。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种IGBT 多时间尺度结温预测模型建模方法，实现了不同时间尺度与不同应用环境下可行、高效的IGBT结温仿真与计算。

本发明提供了一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，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。

上述技术方案中，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。