一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法技术

本发明专利技术提供了一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于：所述方法包括：建立IGBT瞬态等效电模型；建立反并联二极管瞬态等效电模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态电热耦合模型；按照功率器件及模块电路连接结构，建立IGBT器件和模块电热耦合模型。本发明专利技术提供的适用于系统仿真的功率器件及模块电热耦合瞬态仿真模型，不仅可以模拟电路仿真中功率器件及模块的各种工作状态，还可以在仿真时域内实时计算其功耗和结温，并考虑两者间的相互耦合关系，在仿真结果中精确地呈现出功率器件及模块的功耗和结温曲线，方便工程设计人员在系统设计中分析热可靠性情况。

A method of establishing electrothermal coupling transient simulation model

The invention provides a method for establishing an electrothermal coupling transient simulation model, which is characterized in that the method comprises: establishing an IGBT transient equivalent electric model; establishing an inverse parallel diode transient equivalent electric model; establishing an IGBT and inverse parallel diode transient equivalent heat transfer model; and establishing an IGBT and inverse parallel diode transient electrothermal coupling. According to the connection structure of power device and module circuit, the electrothermal coupling model of IGBT device and module is established. The power device and module electro-thermal coupling transient simulation model suitable for system simulation provided by the invention can not only simulate various working states of power devices and modules in circuit simulation, but also calculate their power consumption and junction temperature in real time in simulation time domain, and consider the mutual coupling relationship between the two, so as to refine the simulation results. The power consumption and junction temperature curves of power devices and modules are presented accurately, which is convenient for engineers to analyze the thermal reliability in system design.

【技术实现步骤摘要】
一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法
本专利技术涉及电力电子技术仿真领域，具体涉及一种适用于系统仿真、基于Saber平台的功率器件及模块电热耦合瞬态仿真模型的建立方法。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）兼具功率MOSFET与双极型器件GTR的双重优点，具有输入阻抗高、耐高压、承受电流容量大、开关速度快等特性，受到了越来越多的关注和研究。在当前电力电子
，高压IGBT与二极管构成的开关器件及模块已经广泛应用于各种电压源型电力电子变换装置中。因此，仿真模型的研究对于功率器件及模块的选型和系统的设计具有重要的意义。在使用过程中，功率器件及模块的功耗主要来源于内部的功率开关管和二极管，功率开关管和二极管的损耗包括导通损耗和开关损耗，功率器件及模块的损耗对于其应用至关重要。结温(JunctionTemperature)是衡量从半导体芯片到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻的重要指标。如果工作温度超过允许的最高结温，器件及模块就可能会被破坏，随即失效。所以，对于功率器件及模块的设计和应用来说，有必要计算损耗并对结温进行仿真。然而，目前尚没有专门的针对功率模块的损耗和结温仿真的工具。目前，在电力电子器件的建模研究中，多采用数学物理模型。数学物理模型是利用半导体物理学知识对载流子的电学行为进行简化得到解析表达式进而求解物理方程，其参数获取对于缺少器件物理知识的用户来说非常困难，且模型含有复杂的半导体物理方程，计算量大，仿真时间长，存在计算收敛等问题。
技术实现思路
为了满足现有技术的需求，针对
技术介绍
中所述的缺少热仿真以及数学物理模型参数提取过于复杂的问题，本专利技术提供了一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法。所述方法包括：建立IGBT瞬态等效电模型；建立反并联二极管瞬态等效电模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态电热耦合模型；按照功率器件及模块电路连接结构，建立IGBT器件和模块电热耦合模型。进一步的，所述建立IGBT瞬态等效电模型中，IGBT瞬态等效电模型可等效为由NMOSFET和PNP双极型晶体管复合而成，所述IGBT导通时，电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结构；空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构。进一步的，IGBT的通态电流Ic，其表达式如下：If(vge&lt;vt),Ic=0If(vge>=vt&vce<vge-vt),Ic=K*(vge-vt-vce/2)*vceIf(vge>=vt&vce>=vge-vt),Ic=(K*(vge-vt)^2)/2其中，K=(1+β)Kp，vge=v(g)-V(e)，为栅极和发射极之间的电压差，vt为IGBT的阈值电压，vce=v(c)-v(e)，为集电极和发射极之间的电压差，Kp为MOSFET跨导，β为PNP晶体管的电流增益，Ic为流过IGBT的电流集电极电流。进一步的，所述建立反并联二极管瞬态等效电模型中，反并联二极管瞬态等效电模型的电流表达式为：Id=Is*((e^(vd/vt))-1)其中，Is为二极管反向饱和电流，vd为二极管正负极间电压差，vt为一常数。进一步的，所述建立IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型中，IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型均采用局部网络热路模型。进一步的，所述建立IGBT及反并联二极管瞬态电热耦合模型中，IGBT瞬态电热耦合模型由开关功耗热流源和导通功耗热流源并联而成。进一步的，开关功耗热流源的瞬态热流量为IGBT集电极电流和结温的函数，其表达式如下：Pswq=((Eon(Ic,Tj)+Eoff(Ic,Tj))/1000)*Fsw*(vdc/vdc_n)*adj其中，Eon是IGBT的开启能耗，Eoff是IGBT的关断能耗，Fsw为IGBT工作的开关频率，vdc为系统的直流电压值，vdc_n为功率器件及模块数据手册中测量Eon及Eoff的直流电压值，adj为调节系数。进一步的，导通功耗热流源的瞬态热流量为IGBT集电极电流和结温的函数，其表达式如下：Pcq=Vce(Ic,Tj)*Ic其中，Vce是集电极电流Ic对应的集电极发射极电压差，为集电极电流Ic和IGBT的结温Tj的函数。进一步的，反并联二极管瞬态电热耦合模型由开关功耗热流源和导通功耗热流源并联而成，开关功耗热流源的瞬态热流量为反并联二极管正向电流Id和反并联二极管结温Tj的函数，其表达式如下：Pswd=(Erec(Id,Tj)/1000)*Fsw*(vdc/vdc_n)*adj其中，Erec是反并联二极管的反向恢复能耗，为反并联二极管的正向电流Id和反并联二极管的结温Tj的函数；导通功耗热流源的瞬态热流量为反并联二极管的正向电流Id和反并联二极管结温Tj的函数，其表达式如下：Pcd=Vd(Id,Tj)*Id其中，Vd是反并联二极管的正向压降，为反并联二极管的正向电流Id和反并联二极管的结温Tj的函数。进一步的，所述建立IGBT器件和模块电热耦合模型中，将IGBT电模型和续流二极管电模型反向并联，将IGBT的开关功耗热流源和导通功耗热流源并联，并作为IGBT热网络的输入热源，将反并联二极管的开关功耗热流源和导通功耗热流源并联，并作为反并联二极管热网络的输入热源。本专利技术涉及一种基于saber的功率器件及模块电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，封装后的IGBT器件模型对外引出G、C、E三个电极，IGBT模块模型对外引出与实际模块相对应的若干电极，其内部结构及功能由基于saber的MASTHDL编写而成，支持用户输入自定义参数。与现有技术相比，本专利技术具有的优异效果在于：针对功率器件及模块的应用场合，综合运用机理推导，电气等效，曲线拟合等方法，综合考虑系统仿真准确度和仿真速度，提出了一种基于saber的功率器件及模块电热耦合瞬态仿真模型的建立方法。本专利技术避免了复杂的物理方程，参数显著减少且易于提取，适用于功率器件及模块的不同工作场合，结果真实可靠。本专利技术不仅可以实现电路仿真中功率器件及模块各种运行状态，还可以模拟功率器件及模块工作过程中产生的热流量散失过程，得到瞬态功耗和结温，从而有助于热可靠性设计。附图说明图1是：IGBT瞬态等效电模型可等效为由NMOSFET和PNP双极型晶体管复合而成；图2是：IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型均采用的局部网络热路模型；图3是：IGBT及其反并联二极管的电气模型、等效传热网络模型及电热耦合模型。图4是：已经封装好的4in1IGBT模块。具体实施方式为了使本
内的人员更好的理解本方案，下面结合附图和实施方对本方案做进一步详细说明。本专利技术提供一种基于saber的功率器件及模块电热耦合瞬态仿真模型的建立方法。如图1所示，本专利技术专利所述的IGBT瞬态等效电模型可等效为由NMOSFET和PNP双极型晶体管复合而成，由此得出IGBT的集电极电流表达式。如图2所示，本专利技术专利所述的IGBT及其反并联二极管瞬态等效传热模型均采用局部网络热路模型，该模型包含了功率器件及模块的封装传热信息。如图3所示，包含了IGBT及其反并联二极管的电气模型、等效传热网络模型及电热耦合模型，电气模型的三个电极G、C、E用于与外边电路相连接，接收各个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于：所述方法包括：建立IGBT瞬态等效电模型；建立反并联二极管瞬态等效电模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态电热耦合模型；按照功率器件及模块电路连接结构，建立IGBT器件和模块电热耦合模型。

【技术特征摘要】
1.一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于：所述方法包括：建立IGBT瞬态等效电模型；建立反并联二极管瞬态等效电模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型；建立IGBT及反并联二极管瞬态电热耦合模型；按照功率器件及模块电路连接结构，建立IGBT器件和模块电热耦合模型。2.如权利要求1所述的一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于，所述建立IGBT瞬态等效电模型中，IGBT瞬态等效电模型可等效为由NMOSFET和PNP双极型晶体管复合而成，所述IGBT导通时，电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结构；空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构。3.如权利要求1所述的一种、电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于，IGBT的通态电流Ic，其表达式如下：If(vge&lt;vt),Ic=0If(vge>=vt&vce<vge-vt),Ic=K*(vge-vt-vce/2)*vceIf(vge>=vt&vce>=vge-vt),Ic=(K*(vge-vt)^2)/2其中，K=(1+β)Kp，vge=v(g)-V(e)，为栅极和发射极之间的电压差，vt为IGBT的阈值电压，vce=v(c)-v(e)，为集电极和发射极之间的电压差，Kp为MOSFET跨导，β为PNP晶体管的电流增益，Ic为流过IGBT的电流集电极电流。4.如权利要求1所述的一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于，所述建立反并联二极管瞬态等效电模型中，反并联二极管瞬态等效电模型的电流表达式为：Id=Is*((e^(vd/vt))-1)其中，Is为二极管反向饱和电流，vd为二极管正负极间电压差，vt为一常数。5.如权利要求1所述的一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于，所述建立IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型中，IGBT及反并联二极管瞬态等效传热模型均采用局部网络热路模型。6.如权利要求1所述的一种电热耦合瞬态仿真模型的建立方法，其特征在于，所述建立IGBT及反并联二极管瞬态电热耦合模型中，IGB...

【专利技术属性】
技术研发人员：申越，
申请(专利权)人：上海北京大学微电子研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31