- 頭條基于場路耦合的大功率IGBT多速率電熱聯合仿真方法2021-06-10 作者：賈英杰 肖飛 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語IGBT模塊在以短路為代表的非周期過載極端工況中，其自熱效應明顯。由于高壓、大電流等外載荷的沖擊，IGBT的溫度會在短時內迅速升高，進而影響IGBT芯片的半導體特性以及封裝結構的材料特性，并最終直觀表現為模塊端口電氣特性的變化。此時，需要同時關注IGBT的電氣特性與溫度分布特性，而電問題與熱問題在時間尺度上的差異為電熱耦合仿真帶來了不便。 基于此，海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員賈英杰、肖飛、羅毅飛、劉賓禮、黃永樂，在2020年第9期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于場路耦合的電熱聯合仿真方法。首先闡述IGBT場路耦合聯合仿真的基本原理；然后分別在Simulink與COMSOL中構建基于IGBT物理模型的電路模型以及基于有限元的熱模型，通過Matlab控制腳本實現了多速率仿真策略下的電熱聯合仿真；最后以ABB 3.3kV/1 500A大功率IGBT模塊為例，通過開關暫態測試和短路測試對所提出的仿真方法進行了驗證。
絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）具有驅動控制簡單、開關頻率高、導通電壓低、通態電流大、損耗小等優點，是高壓、大容量電力電子變換裝置的核心部件。在運行過程中，IGBT在電載荷作用下會產生功率損耗，進而引起模塊溫度的升高。
溫度是半導體器件的敏感參數，不僅會影響IGBT的端口電氣特性，同時也會影響封裝結構的材料特性（如熱導率、熱容、熱膨脹系數等）。這種電熱耦合效應是動態連續的，因此只有同時對傳熱問題和電問題進行求解才能精確表征IGBT的電熱特性。
此外，理論和實踐證明，在高壓、大電流等極端工況下IGBT的自熱效應非常顯著，溫度超標也是導致器件失效、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射、高壓直流斷路器等應用為代表的短時、非周期極端過載條件下，IGBT處于高電壓、大電流、高溫等應力疊加的暫態過程，失效的概率和風險急劇增加。
因此，電路和裝置設計人員需要一種能夠準確反映IGBT自熱效應的電熱耦合模型，從而實現對極端工況下IGBT電氣特性以及溫度特性的精確模擬，這對IGBT器件及電力電子裝置的工作特性分析以及可靠性評估等問題都具有重大的理論意義和應用價值。
針對IGBT器件的電熱耦合建模，國內外學者已開展了較多研究，但是多有不足之處。因此，為構建適用于非周期過載極端工況，并充分考慮IGBT自熱效應的電熱耦合模型，海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室的研究人員，綜合了IGBT物理模型與FEM模型的優勢，提出了一種基于場路耦合的電熱聯合仿真方法。
圖1 待測IGBT模塊的封裝結構
圖2 場路耦合電熱模型仿真原理
針對大功率IGBT應用于非周期過載極端工況下的建模、仿真以及可靠性分析等問題，研究人員分別在Simulink與COMSOL中構建了基于IGBT物理模型的電路模型與基于有限元的熱場模型。以短路工況為例，通過場路耦合的電熱聯合仿真研究了ABB 3.3kV/1 500A大功率IGBT模塊的電熱特性，仿真與實驗結果證明了建模方法的正確性。
圖3 聯合仿真計算過程
所提出的場路耦合仿真方法綜合考慮了芯片、鍵絲等多熱源的影響，具有計算精度高、仿真速度快的優點，能夠較好地反映極端工況下芯片自熱效應對IGBT模塊電熱特性的影響。
未來研究人員將所建立的電熱模型進一步擴展為電-熱-力多場耦合模型，進而對多場耦合效應下的IGBT電-熱-力特性分析、封裝失效機理以及特性演變規律等問題開展研究。此外，IGBT模塊的動態不均流現象是客觀存在的，這會進一步凸顯器件失效的“短板效應”。本次研究著重闡述了場路耦合仿真方法，因此并未對此問題開展進一步研究。通過本次研究的仿真方法，可進一步對考慮動態不均流條件下的可靠性進行分析，這也是后續需要解決的問題之一。
以上研究成果發表在2020年第9期《電工技術學報》，論文標題為“基于場路耦合的大功率IGBT多速率電熱聯合仿真方法”，作者為賈英杰、肖飛、羅毅飛、劉賓禮、黃永樂。
