海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员刘宾礼、罗毅飞、肖飞、汪波，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文提出一种基于器件到系统的等级与传热网络结构本身的多时间尺度特征建立绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）传热模型的建模方法。
基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构，建立IGBT传热网络结构模型，查明单层与多层热网络结构的结温运行规律以及简化标准与方法。在此基础上，以器件到系统对IGBT传热模型的不同需求为主线，以器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度为切入点，建立适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。
仿真与实验结果验证了模型的正确性与高效性。所建立的IGBT传热模型对于查明IGBT器件的传热网络结构特征与结温运行规律，实现电力电子器件到系统的独立与联合仿真具有一定的理论意义和应用价值。
准确、高效的仿真模型是完成虚拟仿真、实现精确设计、指导实际应用等功能的重要基础。在电力电子电能变换领域、不同设计阶段和应用背景下，对仿真模型的特性、精度和仿真速度有着不同要求。
因此，根据需求提供满足一定要求的仿真模型是建模工作的关键。对于绝缘栅双极型晶闸管（Insulated GateBipolar Transistor, IGBT）器件传热模型环节，依据电力电子器件到系统的级别，对IGBT器件传热模型的需求可以划分为器件级、组件级和系统级，如图1所示。
器件级到系统级热仿真对于IGBT器件传热模型的需求为仿真精度逐渐降低、仿真速度逐渐提高。器件级热仿真需要IGBT传热模型能够对芯片结温的运行规律、封装结构不同层温度及不同层之间的动力学作用效应进行仿真，并要求精度高；组件级热仿真需要IGBT传热模型能够对芯片结温运行规律进行仿真，但相对于器件级仿真来说，仿真精度降低、仿真速度提高；而对于系统级热仿真只需IGBT传热模型能够对其最高结温进行仿真，以指导散热和结构设计等，对于IGBT结温运行规律和开关瞬态过程要求低，并且要求仿真速度更快。
所以依据上述特点与需求建立IGBT传热模型，对于说明传热作用机理与规律、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。
图1 电力电子器件到系统不同等级对IGBT传热模型的仿真需求
当前关于经典RC传热网络模型的研究报道很多，主要针对如何实现IGBT结温规律仿真开展研究。文献[1-5]分别建立了IGBT热网络与损耗模型。文献[6-9]在建立热网络模型的基础上，研究了参数提取问题。文献[10-12]对多芯片IGBT模块热模型及多场耦合问题进行了研究。文献[13]通过分析IGBT模块的封装类型并获取结构参数，建立了IGBT模块Cauer热网络结构的行为模型，用于对芯片结温进行模拟仿真。
文献[14]基于IGBT模块的Foster网络结构，考虑电力电子系统的基本结构，提出了IGBT模块的温度估计方法。文献[15]通过考虑单个模块的芯片内部布置与三维结构，建立了IGBT模块三维温度行为仿真模型。文献[16]通过测试IGBT模块的瞬态热阻抗曲线，以Foster热网络结构理论表达式为目标函数，拟合得到Foster热网络结构下的热阻热容参数，进而基于得到的Foster网络结构模型对IGBT模块的结温行为运行规律进行模拟仿真。
综上，当前研究多针对IGBT模块的结构与瞬态热阻抗曲线，建立了其Cauer与Foster热网络结构的行为模型，旨在实现IGBT模块的结温预测与仿真，但关于适用于不同系统等级的IGBT传热模型等研究内容未见报道。因此，本文依据器件到系统不同等级对IGBT传热模型的仿真需求，开展IGBT传热模型建模。
基于热传导理论，在对经典RC传热Cauer网络结构进行深入分析的基础之上，通过理论推导，建立了适用于不同封装结构的IGBT传热Cauer热网络结构模型。通过分析对比封装各层时间常数的不同时间尺度及各层之间的相互作用特点，建立了多层热网络结构简化方法与标准。通过分析不同系统等级对IGBT传热模型的需求，建立了适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型。
图19 IGBT传热模型效率仿真平台
结论
基于IGBT基本结构与电热比拟理论，建立了IGBT传热网络结构与模型。通过分析单层网络结构与多层网络结构的运行特性，建立了多层网络结构简化方法与简化依据。进而，根据器件到系统不同等级的需求与IGBT传热模型本身的时间尺度特征，建立了适用于器件级到系统级热仿真的IGBT传热模型，并通过实验对模型的正确性与高效性进行了验证和对比。所建立的IGBT传热模型仿真精度高、效率提升大。
该研究为查明IGBT结温运行规律与作用机理、实现不同需求的独立与联合仿真、辅助失效机理与可靠性研究奠定了基础。
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发布于：天津