絕緣柵雙極型晶體管結溫仿真模型及其應用研究.pdf

1、近年來，隨著半導體制造工藝的進步和電力電子系統(tǒng)應用要求的提高，功率變換器系統(tǒng)中IGBT模塊的功率等級和密度也越來越高，迫使其內(nèi)部的功率器件承受很高的熱應力，尤其是對于風力發(fā)電用變頻器系統(tǒng)這類工作環(huán)境惡劣且輸出功率波動劇烈的應用場合，IGBT模塊的壽命和長期可靠性受到了顯著影響。結溫不僅同IGBT模塊的壽命及可靠性直接相關，還會影響其工作性能，甚至于改變變換器輸出端波形的諧波分布情況。因此，獲得既定工作條件下IGBT模塊內(nèi)功率器件的結溫狀

2、況，對于確保其安全可靠的使用和冷卻裝置的合理選擇等具有顯著意義，本文將對準確仿真預測IGBT模塊結溫的方法，三相逆變器系統(tǒng)中結溫相關影響因素以及風電變頻器系統(tǒng)中非平穩(wěn)工況下的結溫波動情況開展研究工作。
　　 所有的電力電子器件在運行過程當中都會產(chǎn)生一定的能量損耗，IGBT也不例外，通常這部分損耗在IGBT內(nèi)部以熱的形式存在，從而將改變電力電子器件內(nèi)部的溫度分布。本文首先對IGBT模塊的封裝結構和模塊內(nèi)部的熱傳遞過程進行分析，并概

3、述模塊熱阻的定義，在此基礎之上對IGBT模塊內(nèi)部占據(jù)主導地位的一維熱傳導過程進行了理論建模，接著推導工作結溫的計算方法。根據(jù)半導體物理理論的知識，歸納總結硅芯片參數(shù)的溫度效應，然后基于此從實驗和理論兩個角度對IGBT的溫度效應進行分析，從而闡述IGBT結溫的變化是電、熱兩種物理場綜合作用的結果。
　　 對IGBT器件的數(shù)學物理模型進行研究，采用了一種參數(shù)隔離實驗與經(jīng)驗公式相結合的簡便的模型參數(shù)提取方法，并利用提取到的特定型號IG

4、BT器件模型參數(shù)在Saber仿真軟件中對其瞬時結溫特性進行仿真模擬，從而在功率半導體器件物理模型的角度分析器件工作結溫的動態(tài)變化過程。
　　 針對變換器系統(tǒng)級模型中，利用IGBT器件的數(shù)學物理模型仿真結溫存在仿真步長偏短、耗時嚴重、且易不收斂的問題，本文采用基于數(shù)學運算方法的損耗模型和描述模塊熱傳導過程的傳熱網(wǎng)絡模型相結合的方法來搭建基于系統(tǒng)級的IGBT模塊結溫預測模型，大大提升結溫仿真的速度，且模型考慮熱電耦合效應，可以更加準

5、確的模擬實際工況下IGBT模塊的結溫變化過程。
　　 根據(jù)IGBT模塊工作過程當中，結溫峰值和穩(wěn)態(tài)波動值是影響其可靠性和壽命的最直接因素，本文利用在MATLAB/Simulink中搭建的三相逆變器系統(tǒng)的IGBT模塊結溫仿真模型，詳細討論分析不同負載工況和工作環(huán)境對IGBT模塊結溫峰值和穩(wěn)態(tài)波動值的影響，并針對風力發(fā)電系統(tǒng)中變頻器的具體應用，仿真模擬一段時間內(nèi)非平穩(wěn)工況下IGBT模塊結溫的波動情況，從而為IGBT模塊結溫的在線監(jiān)測