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絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）具有驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，是高壓、大容量電力電子變換裝置的核心部件。在運(yùn)行過(guò)程中，IGBT在電載荷作用下會(huì)產(chǎn)生功率損耗，進(jìn)而引起模塊溫度的升高。

溫度是半導(dǎo)體器件的敏感參數(shù)，不僅會(huì)影響IGBT的端口電氣特性，同時(shí)也會(huì)影響封裝結(jié)構(gòu)的材料特性（如熱導(dǎo)率、熱容、熱膨脹系數(shù)等）。這種電熱耦合效應(yīng)是動(dòng)態(tài)連續(xù)的，因此只有同時(shí)對(duì)傳熱問(wèn)題和電問(wèn)題進(jìn)行求解才能精確表征IGBT的電熱特性。

此外，理論和實(shí)踐證明，在高壓、大電流等極端工況下IGBT的自熱效應(yīng)非常顯著，溫度超標(biāo)也是導(dǎo)致器件失效、損壞以及性能退化的主要原因。尤其在以短路工況以及電磁發(fā)射、高壓直流斷路器等應(yīng)用為代表的短時(shí)、非周期極端過(guò)載條件下，IGBT處于高電壓、大電流、高溫等應(yīng)力疊加的暫態(tài)過(guò)程，失效的概率和風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。

因此，電路和裝置設(shè)計(jì)人員需要一種能夠準(zhǔn)確反映IGBT自熱效應(yīng)的電熱耦合模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)極端工況下IGBT電氣特性以及溫度特性的精確模擬，這對(duì)IGBT器件及電力電子裝置的工作特性分析以及可靠性評(píng)估等問(wèn)題都具有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)IGBT器件的電熱耦合建模，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了較多研究，但是多有不足之處。因此，為構(gòu)建適用于非周期過(guò)載極端工況，并充分考慮IGBT自熱效應(yīng)的電熱耦合模型，海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，綜合了IGBT物理模型與FEM模型的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于場(chǎng)路耦合的電熱聯(lián)合仿真方法。

圖1 待測(cè)IGBT模塊的封裝結(jié)構(gòu)

圖2 場(chǎng)路耦合電熱模型仿真原理

針對(duì)大功率IGBT應(yīng)用于非周期過(guò)載極端工況下的建模、仿真以及可靠性分析等問(wèn)題，研究人員分別在Simulink與COMSOL中構(gòu)建了基于IGBT物理模型的電路模型與基于有限元的熱場(chǎng)模型。以短路工況為例，通過(guò)場(chǎng)路耦合的電熱聯(lián)合仿真研究了ABB 3.3kV/1 500A大功率IGBT模塊的電熱特性，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了建模方法的正確性。

圖3 聯(lián)合仿真計(jì)算過(guò)程

所提出的場(chǎng)路耦合仿真方法綜合考慮了芯片、鍵絲等多熱源的影響，具有計(jì)算精度高、仿真速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地反映極端工況下芯片自熱效應(yīng)對(duì)IGBT模塊電熱特性的影響。

未來(lái)研究人員將所建立的電熱模型進(jìn)一步擴(kuò)展為電-熱-力多場(chǎng)耦合模型，進(jìn)而對(duì)多場(chǎng)耦合效應(yīng)下的IGBT電-熱-力特性分析、封裝失效機(jī)理以及特性演變規(guī)律等問(wèn)題開(kāi)展研究。此外，IGBT模塊的動(dòng)態(tài)不均流現(xiàn)象是客觀存在的，這會(huì)進(jìn)一步凸顯器件失效的“短板效應(yīng)”。本次研究著重闡述了場(chǎng)路耦合仿真方法，因此并未對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步研究。通過(guò)本次研究的仿真方法，可進(jìn)一步對(duì)考慮動(dòng)態(tài)不均流條件下的可靠性進(jìn)行分析，這也是后續(xù)需要解決的問(wèn)題之一。

以上研究成果發(fā)表在2020年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于場(chǎng)路耦合的大功率IGBT多速率電熱聯(lián)合仿真方法”，作者為賈英杰、肖飛、羅毅飛、劉賓禮、黃永樂(lè)。