基於傳熱動力學作用特徵的IGBT結溫預測數學模型

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劉賓禮、羅毅飛、肖飛、熊又星、賈英傑，在2017年第12期《電工技術學報》上撰文，提出一種基於傳熱動力學作用特徵建立絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）結溫預測模型的建模方法。

針對目前IGBT結溫預測模型無法靈活應用於多時間尺度模擬與快速計算模式的問題，通過將簡單（階躍）信號下得到的動力學作用分量應用於複雜（PWM）信號下，建立IGBT結溫預測數學模型。基於經典Cauer傳熱RC網路結構，建立針對階躍功率輸入信號的IGBT結溫預測數學模型。提出採用自然解耦的方法，

對IGBT傳熱動力學特性進行研究，建立傳熱動力學作用分量的準確表徵。

在此基礎上，採用自然解耦與精確補償的方法，建立針對PWM脈衝功率輸入信號的IGBT瞬態結溫預測數學模型。模擬與實驗結果驗證了模型的正確性與準確性。所建IGBT結溫預測數學模型對於查明IGBT器件的傳熱動力學作用機理，實現結溫的快速有效模擬與計算，建立IGBT傳熱多時間尺度數學模型具有重要的理論意義和應用價值。

絕緣柵雙極型電晶體（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，是實現自動控制和功率變換的關鍵核心部件。

隨著IGBT器件在電氣節能、新能源發電、電力牽引、智慧電網、軍工裝備等領域的廣泛應用，

其可靠性已成為制約電力電子裝置快速發展的瓶頸，所以研究IGBT器件的可靠性對於提高電力電子裝置可靠性、廣泛應用及其快速發展至關重要，而決定IGBT器件失效、影響其可靠性的關鍵因素為溫度。並且在電力電子電能變換領域，不同設計階段和應用背景下，對模擬模型的特性、精度和模擬速度有不同的要求。因此，根據需求提供滿足一定要求的模擬模型是建模工作的關鍵。

對於IGBT器件傳熱模型環節，依據電力電子器件到裝置的級別，對IGBT器件傳熱模型的需求可以劃分為器件級、元件級和裝置級。器件級熱模擬關注的時間尺度為百納秒到微秒，組件級熱模擬關注的時間尺度為毫秒級，裝置級熱模擬關注的時間尺度為秒級。

查明結溫運行規律與傳熱作用機理、建立基於傳熱動力學作用特徵的IGBT傳熱數學模型，對於實現結溫的快速有效計算、建立IGBT傳熱多時間尺度數學模型具有重大的理論意義和應用價值。

當前關於IGBT結溫模擬與計算的相關報導主要針對如何獲取IGBT結溫[1-4]、如何實現IGBT結溫的模擬與模擬[5-10]進行了研究。文獻[11]通過分析IGBT模組的封裝類型並獲取結構參數，基於Saber模擬平臺，建立了IGBT模組Cauer熱網路結構的行為模型，用於對晶片結溫進行類比模擬。

文獻[12]基於IGBT模組的Foster網路結構與Saber模擬平臺，考慮電力電子裝置的基本結構，建立了IGBT模組的溫度估計方法。文獻[13]通過考慮單個模組的晶片內部佈置與三維結構，基於三維建模仿真平臺，

建立了IGBT模組三維溫度行為模擬模型。

文獻[14]通過測試IGBT模組的瞬態熱阻抗曲線，以Foster熱網路結構理論運算式為目標函數，擬合得到Foster熱網路結構下的熱阻熱容參數，進而基於得到的Foster網路結構模型對IGBT模組的結溫行為運行規律進行模擬模擬。

綜上，當前研究主要基於模擬軟體搭建IGBT傳熱網路行為模型，可以對IGBT晶片結溫運行規律等行為進行模擬，但關於熱量傳遞作用機理與互動關係、瞬態結溫數學模型等研究內容未見報道，並且基於當前研究不能開展IGBT傳熱多時間尺度建模工作。因此，本文對IGBT傳熱動力學作用機理與規律進行研究，並建立了IGBT傳熱與瞬態結溫數學模型、結溫波動資訊數學模型等，以彌補上述行為模型的不足。

首先，基於經典Cauer傳熱RC網路結構，建立針對階躍功率輸入信號的IGBT傳熱數學模型；提出採用自然解耦的方法，對IGBT傳熱動力學特性進行研究，查明傳熱動力學作用機理與互動機制，建立了傳熱動力學作用分量的準確表徵。在此基礎上，通過理論推導，建立針對PWM脈衝功率輸入信號的IGBT瞬態結溫數學模型，並進行實驗驗證。

圖1 IGBT模組基本結構與實體層熱傳導示意圖

結論

本文基於經典Cauer傳熱RC網路結構與傳熱理論，建立了針對階躍功率輸入信號的IGBT傳熱數學模型，查明了傳熱動力學作用機理與互動機制，建立了傳熱動力學作用分量的準確表徵，建立了針對PWM脈衝功率輸入信號的IGBT瞬態結溫數學模型與結溫波動資訊數學模型。模型計算與實驗結果對比，驗證了模型的正確性與準確性。該研究為結溫運行規律模擬與計算、傳熱多時間尺度建模與可靠性評估研究奠定了基礎。

結論