本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)仿真領(lǐng)域，更具體涉及一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法。
背景技術(shù)：
：：絕緣柵雙極性晶體管集合了功率MOSFET與雙極型器件的雙重優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、耐高壓、承受電流容量大、開(kāi)關(guān)速度快等特性，受到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。在當(dāng)前電力電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，高壓IGBT與二極管構(gòu)成開(kāi)關(guān)模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電壓源型電力電子變換裝置中，如電壓源換流器型直流輸電(VSC-HVDC)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(STATCON)等，對(duì)于其開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程的研究及建模越來(lái)越重要。因此，建立精確的熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型，對(duì)變換器的安全可靠運(yùn)行和電氣性能優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。目前，在電力電子器件的建模研究中，主要采用機(jī)理模型和行為模型兩大類(lèi)。機(jī)理模型是利用半導(dǎo)體物理學(xué)知識(shí)對(duì)載流子的電學(xué)行為進(jìn)行簡(jiǎn)化得到解析表達(dá)式進(jìn)而求解物理方程。其典型代表有：Hefner模型，KuangSheng模型和Kraus模型。機(jī)理模型的參數(shù)獲取對(duì)于缺少器件物理知識(shí)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)非常困難，且模型含有復(fù)雜的半導(dǎo)體物理方程，計(jì)算量大，仿真時(shí)間長(zhǎng)，存在計(jì)算收斂等問(wèn)題。行為模型相對(duì)仿真速度比較快，但是只考慮器件外特性，物理概念不清楚，參數(shù)不易調(diào)整，模型通用性相對(duì)較差。采用機(jī)理推導(dǎo)、電氣等效、曲線(xiàn)擬合等方法，綜合考慮模型準(zhǔn)確度、仿真速度、熱學(xué)特性對(duì)器件電氣參數(shù)影響以及IGBT的暫態(tài)特性與二極管的反向恢復(fù)特性相互影響，避免求解復(fù)雜的半導(dǎo)體物理方程，基于器件手冊(cè)數(shù)據(jù)， 提取暫態(tài)模型的關(guān)鍵參數(shù)，建立相應(yīng)暫態(tài)模型及熱學(xué)特性模型，共同構(gòu)成可模擬IGBT模塊電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺(tái)、二極管反向恢復(fù)等開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性及熱學(xué)特性的熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型顯得尤為重要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本發(fā)明的目的是提供一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)電路仿真中IGBT模塊的各種運(yùn)行狀態(tài)，而且可以在納秒級(jí)小步長(zhǎng)下模擬IGBT模塊的電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺(tái)、二極管反向恢復(fù)等開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性并考慮溫度損耗等熱學(xué)特性對(duì)器件參數(shù)的影響，模擬熱電耦合特性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，包括：建立IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型；建立IGBT平均功耗模塊；建立IGBT平均熱阻模塊；建立IGBT熱電耦合模塊；根據(jù)所述模塊建立熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型包括建立的IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型和建立的反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)模型。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述IGBT平均功耗模塊包括開(kāi)通功耗、關(guān)斷功耗和通態(tài)功耗。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，假設(shè)占空比為δ，流過(guò)IGBT模塊的電流為正弦信號(hào)：iC＝ICMsinα，隨著載波頻率的提高， 導(dǎo)通損耗減小，半周期內(nèi)總的導(dǎo)通損耗不變，半周期內(nèi)IGBT的通態(tài)功耗為：P1=12π∫0πVCEiCδdα=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ]]>其中，α為電流相角，VCE為IGBT模塊兩端電壓，VCEN和ICN為數(shù)據(jù)手冊(cè)上額定電壓和額定電流，VCE0為門(mén)檻電壓，ICM為正弦信號(hào)幅值。設(shè)tr和tf分別為器件的上升和下降時(shí)間，f為開(kāi)關(guān)頻率，得到所述正弦信號(hào)一個(gè)周期開(kāi)通功耗為：EON=12π∫oπ12VCEiCtrdα=12πVCENtrICM]]>同理可得一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷損耗：EOFF=12πVCENtfICM]]>由疊加原理，總的開(kāi)關(guān)損耗功率為開(kāi)通關(guān)斷功耗的和:P2＝(EON+EOFF)×f由上述分析可得，在假設(shè)條件下，一個(gè)IGBT總的功耗為:P=P1+P2=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ+(12πVCENtrICM+12πVCENtfICM)×f]]>本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，建立所述IGBT平均熱阻模塊前提包括：假設(shè)IGBT熱傳導(dǎo)率與溫度無(wú)關(guān)；假設(shè)IGBT中存在一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)溫，所述結(jié)溫是某個(gè)平均結(jié)溫，也就IGBT結(jié)到管殼間的平均熱阻。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述平均熱阻RT通過(guò)下式確定：RT=ΔTP=Tj-TCP]]>Tj＝TC+PRT其中，Tj為結(jié)溫，TC為常溫298K，P為平均功耗。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型中受溫度影響變化的IGBT器件內(nèi)部電氣參數(shù)包括過(guò)剩載流子壽命τ，柵極門(mén)檻電壓VT和跨導(dǎo)KP；并通過(guò)下式確定：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(T0)(T0Tj)0.8]]>其中，τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分別為過(guò)剩載流子濃度，門(mén)檻電壓，跨導(dǎo)參數(shù)在常溫T0時(shí)的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)為溫度為T(mén)j時(shí)的值；Kth為門(mén)檻電壓的系數(shù)。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型包括MOSFET-BJT模塊、拖尾電流模塊和寄生電容模塊。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述MOSFET-BJT模塊通過(guò)將所述拖尾電流模塊中的拖尾電流和當(dāng)IGBT工作于不同狀態(tài)時(shí)，采用壓控電流源來(lái)模擬所述IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型的通態(tài)電流IC結(jié)合獲得；所述通態(tài)電流IC，其解析表達(dá)式如下：IC=(1+β)Imos=0,Vge≤VTK(Vge-VT-Vce2)Vce,Vce≤Vge-VTK(Vge-VT)22,Vce>Vge-VT]]>其中，等效跨導(dǎo)K＝(1+β)Kp；Vge為柵射極電壓；VT為IGBT導(dǎo)通門(mén)檻電壓；Vce為IGBT集射極電壓；Kp為MOSFET的跨導(dǎo)參數(shù)；β為BJT電流增益；Imos為流過(guò)MOSFET電流；所述拖尾電流通過(guò)下式確定：Itail=βImose-t-t0τ=Itail0e-t-t0τ]]>其中，τ為少數(shù)載流子壽命即拖尾時(shí)間常數(shù)；t為拖尾起始后仿真時(shí)刻；t0為拖尾電流起始時(shí)間；關(guān)斷過(guò)程中當(dāng)Vge小于閾值電壓時(shí)開(kāi)始拖尾，此時(shí)集電極電流為拖尾起始電流Itail0；利用輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres與極間電容的關(guān)系，結(jié)合IGBT模塊器件手冊(cè)數(shù)據(jù)，得各極間寄生電容值，完成寄生電容模塊。本發(fā)明提供的一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，所述反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)模型結(jié)合二極管反向恢復(fù)特性，并基于器件數(shù)據(jù)手冊(cè)，建立其相應(yīng)模型。和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果1、本發(fā)明提供的技術(shù)方案針對(duì)高壓IGBT模塊應(yīng)用場(chǎng)合，基于現(xiàn)有模型研究，采用機(jī)理推導(dǎo)、電氣等效、曲線(xiàn)擬合等方法，綜合考慮模型準(zhǔn)確度和仿真速度，避免求解復(fù)雜的半導(dǎo)體物理方程，基于器件手冊(cè)數(shù)據(jù)，提取暫態(tài)模型的關(guān)鍵參數(shù)；2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案的模型，物理概念清晰，將熱學(xué)特性對(duì)器件電氣參數(shù)影響以及IGBT的暫態(tài)特性與二極管的反向恢復(fù)特性相互影響綜合考慮，結(jié)果真實(shí)可靠；3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案的參數(shù)顯著減少且容易提取，易調(diào)整，適用于不同IGBT及高壓應(yīng)用場(chǎng)合；4、本發(fā)明提供的技術(shù)方案不僅可以實(shí)現(xiàn)電路仿真中IGBT模塊各種運(yùn)行狀態(tài)，而且可以在納秒級(jí)仿真步長(zhǎng)下模擬高壓IGBT模塊的電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺(tái)、二極管反向恢復(fù)等開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性及器件熱電耦合特性；5、本發(fā)明提供的技術(shù)方案，對(duì)變換器的安全可靠運(yùn)行和電氣性能優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明提供技術(shù)方案的熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明提供技術(shù)方案IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型電路圖；圖3為本發(fā)明提供技術(shù)方案MOSFET-BJT模塊在PSCAD/EMTDC平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)電路圖；圖4為本發(fā)明提供技術(shù)方案二極管反向恢復(fù)模塊在PSCAD/EMTDC平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)電路圖；圖5為本發(fā)明提供技術(shù)方案極間寄生電容模塊在PSCAD/EMTDC平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)電路圖；圖6為本發(fā)明提供技術(shù)方案平均功耗模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明提供技術(shù)方案平均熱阻模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明提供技術(shù)方案熱電耦合模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明提供技術(shù)方案用于測(cè)試及驗(yàn)證模型正確性的二極管箝位的阻感性負(fù)載IGBT模塊測(cè)試電路圖；圖10為本發(fā)明提供技術(shù)方案在PSCAD/EMTDC平臺(tái)下搭建的測(cè)試電路與SABER仿真軟件下搭建的測(cè)試電路仿真波形對(duì)比圖；圖11為本發(fā)明提供技術(shù)方案在PSCAD/EMTDC平臺(tái)下搭建的測(cè)試電路仿真波形與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1：本例的發(fā)明提供一種熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型建立方法，包括：步驟1：建立IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型；步驟2：建立反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)模型；步驟3：根據(jù)步驟1和步驟2所得到的IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型和二極管反向恢復(fù)模型，將兩者按照IGBT模塊電路結(jié)構(gòu)連接，添加電路結(jié)構(gòu)模塊和控制參數(shù)模塊，建立IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型。步驟4：建立IGBT平均功耗模塊。步驟5：建立IGBT平均熱阻模塊。步驟6：建立IGBT熱電耦合模塊。步驟7：將上述步驟建立的模塊組成完整熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型。IGBT暫態(tài)模型包括MOSFET-BJT模塊、拖尾電流模塊、寄生電容模塊，具體對(duì)上述三種模塊進(jìn)行建模如下：(1)MOSFET-BJT模塊：IGBT導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)部有兩個(gè)電流通路：1)電子流動(dòng)產(chǎn)生的電流通路In，對(duì)應(yīng)于MOSFET結(jié)構(gòu)。2)空穴流動(dòng)產(chǎn)生的電流通路Ip，對(duì)應(yīng)于BJT結(jié)構(gòu)。IGBT工作于不同狀態(tài)時(shí)，可采用壓控電流源來(lái)模擬IGBT模塊的通態(tài)電流IC，其解析表達(dá)式如下：IC=(1+β)Imos=0,Vge≤VTK(Vge-VT-Vce2)Vce,Vce≤Vge-VTK(Vge-VT)22,Vce>Vge-VT---(1)]]>其中，等效跨導(dǎo)K＝(1+β)Kp；Vge為柵射極電壓；VT為IGBT導(dǎo)通門(mén)檻電壓；Vce為IGBT集射極電壓；Kp為MOSFET跨導(dǎo)；β為BJT電流增益；Imos 為流過(guò)MOSFET電流；IC為流過(guò)IGBT電流即集電極電流；(2)拖尾電流模塊：在IGBT關(guān)斷暫態(tài)過(guò)程中，由于IGBT存在BJT，基區(qū)大量過(guò)剩載流子復(fù)合需要時(shí)間，使得關(guān)斷電流會(huì)有較長(zhǎng)的拖尾時(shí)間。Itail=βImose-t-t0τ=Itail0e-t-t0τ---(2)]]>其中τ為少數(shù)載流子壽命即拖尾時(shí)間常數(shù)；t0為拖尾電流起始時(shí)間；關(guān)斷過(guò)程中當(dāng)Vge小于閾值電壓時(shí)開(kāi)始拖尾，此時(shí)集電極電流為拖尾起始電流Itail0。將所述式(2)添加至所述式(1)中，即得完整的MOSFET-BJT模塊。(3)寄生電容模塊：在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres是應(yīng)用中常用的參數(shù)。它們與極間電容的關(guān)系如下：Cies＝Cge+CgcCoes＝Cce+Cge(3)Cres＝Cgc利用所述式(3)結(jié)合IGBT器件手冊(cè)數(shù)據(jù)，得到各極間寄生電容值，從而完成寄生電容模塊。反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)模型采用宏模型的思路，結(jié)合二極管反向恢復(fù)特性，基于器件數(shù)據(jù)手冊(cè)，建立相應(yīng)模型。所述模型相關(guān)參數(shù)如式(4)所示。τre=LR=1ln10(trr-IrmdIf/dt)Irm=QrrdIfdttrr=2QrrdIf/dtK=IrmLdIf/dt=1LQrrdIf/dt---(4)]]>其中，τre為反向恢復(fù)衰減時(shí)間常數(shù)；R和L為自由量，根據(jù)電路仿真要求及實(shí)際器件情況，可取L＝100nH，則R根據(jù)式(4)取相應(yīng)值即可；Irm為反向恢復(fù)峰值電流；dIf/dt為反向恢復(fù)電流斜率；trr為反向恢復(fù)時(shí)間；Qrr為反向恢復(fù)電荷量，Kre為反向恢復(fù)比例系數(shù)。將上述兩個(gè)模型，按照IGBT模塊電路結(jié)構(gòu)連接，由電路結(jié)構(gòu)模塊和自定義控制參數(shù)模塊組成完整IGBT模塊暫態(tài)模型電路。封裝后的IGBT電路結(jié)構(gòu)模塊對(duì)外引出G、C、E三個(gè)電極與主電路連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內(nèi)阻、MOSFET-BJT壓控電流源和二極管反向恢復(fù)電路組成。IGBT平均功耗模塊包括開(kāi)通功耗、關(guān)斷功耗和通態(tài)功耗三部分構(gòu)成，具體對(duì)上述三個(gè)部分分析如下：IGBT典型的電壓電流曲線(xiàn)(V/A)中的門(mén)檻電壓和電流可以用數(shù)學(xué)插值或者多項(xiàng)式來(lái)將曲線(xiàn)線(xiàn)性化，即：VCE=(VCEN-VCE0ICN)iC+VCE0---(5)]]>其中VCEN、ICN分別為額定狀態(tài)下IGBT模塊兩端電壓及流過(guò)的電流，可以由數(shù)據(jù)手冊(cè)直接得到。VCE0為門(mén)檻電壓，通過(guò)取點(diǎn)擬合出曲線(xiàn)，也可以得到門(mén)檻電壓數(shù)值。假設(shè)占空比為δ，流過(guò)IGBT模塊的電流為正弦信號(hào)：iC＝ICMsinα，隨著載波頻率的提高，導(dǎo)通損耗減小，可以認(rèn)為半周期內(nèi)總的導(dǎo)通損耗不變，半周期內(nèi)IGBT的通態(tài)功耗為：P1=12π∫0πVCEiCδdα=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ---(6)]]>其中α為電流相角，VCE為IGBT模塊兩端電壓，VCEN和ICN為數(shù)據(jù)手冊(cè)上 額定電壓和額定電流，VCE0為門(mén)檻電壓，ICM為正弦信號(hào)幅值。設(shè)tr和tf分別為器件的上升和下降時(shí)間，f為開(kāi)關(guān)頻率，利用數(shù)學(xué)的方法，結(jié)合積分的原理，認(rèn)為一次開(kāi)通過(guò)程中所損耗的能量為典型的開(kāi)關(guān)波形曲線(xiàn)下面的面積，可以得到正弦信號(hào)一個(gè)周期開(kāi)通功耗為：EON=12π∫oπ12VCEiCtrdα=12πVCENtrICM---(7)]]>同理可得一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷損耗：EOFF=12πVCENtfICM---(8)]]>由疊加原理，總的開(kāi)關(guān)損耗功率為開(kāi)通關(guān)斷功耗的和:P2＝(EON+EOFF)×f(9)由上述分析可得，在假設(shè)條件下，一個(gè)IGBT總的功耗為:P=P1+P2=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ+(12πVCENtrICM+12πVCENtfICM)×f---(10)]]>IGBT平均熱阻模型建立有兩個(gè)前提：(1)假設(shè)熱傳導(dǎo)率與溫度無(wú)關(guān)，實(shí)質(zhì)上是將半導(dǎo)體芯片中本來(lái)是非線(xiàn)性的導(dǎo)熱問(wèn)題線(xiàn)性化了。(2)假設(shè)半導(dǎo)體芯片中存在一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)溫，不過(guò)此結(jié)溫僅是某個(gè)平均結(jié)溫而已，所以涉及的也是一個(gè)平均熱阻，也就是結(jié)到管殼間的平均熱阻。模型建立過(guò)程如下：熱阻反映了器件散熱性能得好壞，熱阻比較大表示器件得散熱能力比較差；反之，熱阻比較小表示器件得散熱能力比較好，這樣的器件即使長(zhǎng)時(shí)間工作也沒(méi)有燒毀的危險(xiǎn)。本發(fā)明基于器件手冊(cè)，提取IGBT和續(xù)流二極管熱阻參數(shù)。根據(jù)器件手冊(cè)中IGBT以及反并聯(lián)二極管的熱阻與脈沖寬度變化的曲線(xiàn)，在Matlab中采用曲線(xiàn)擬合法，獲得熱阻參數(shù)解析表達(dá)式。則任意給定脈寬可得到相應(yīng)熱阻，由式(10)可得平均功耗P，由此得到計(jì)算結(jié)溫計(jì)算公式：RT=ΔTP=Tj-TCP---(11)]]>Tj＝TC+PRT(12)Tj為結(jié)溫，TC為常溫298K，P與RT由公式可得到，最終可得到結(jié)溫Tj，即由功耗輸入可以計(jì)算出結(jié)溫的輸出。IGBT熱電耦合模型的建立過(guò)程如下：半導(dǎo)體器件工作在低溫或高溫環(huán)境時(shí)，由于某些半導(dǎo)體參數(shù)的溫度敏感性，導(dǎo)致器件某些特性發(fā)生變化，而使含有該器件的系統(tǒng)產(chǎn)生失真或熱不穩(wěn)定性。本發(fā)明所述模型分析受溫度影響變化的IGBT器件內(nèi)部關(guān)鍵電氣參數(shù)，包括過(guò)剩載流子壽命τ，柵極門(mén)檻電壓VT，跨導(dǎo)KP，相關(guān)表達(dá)式如下：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(T0)(T0Tj)0.8---(13)]]>其中τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分別為過(guò)剩載流子濃度，門(mén)檻電壓，跨導(dǎo)參數(shù)在常溫T0時(shí)的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)為溫度為T(mén)j時(shí)的值；Kth為門(mén)檻電壓的系數(shù)，可以測(cè)量提取到，這里可取9mV/K。模型自定義參數(shù)模塊主要包括寄生電容參數(shù)模塊、MOSFET-BJT電流源模塊以及二極管反向恢復(fù)電流源模塊。該模塊接受電路結(jié)構(gòu)模塊以及暫態(tài)模型中各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流值，根據(jù)權(quán)利要求2所述建模方法，自定義編程模塊，輸出寄生電容、MOSFET-BJT壓控電流源及二極管電流源參數(shù)給電路結(jié)構(gòu)模塊。圖1所示，IGBT功耗模塊根據(jù)IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型獲得的電壓和電 流值計(jì)算出IGBT瞬時(shí)功耗參數(shù)傳遞給所述步驟5中IGBT熱阻模塊，再計(jì)算得到IGBT結(jié)溫參數(shù)，傳遞給所述步驟6中IGBT熱電耦合模塊，計(jì)算得到相應(yīng)溫度下瞬時(shí)器件電氣參數(shù)，輸入至所述步驟3中IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型，形成完整的熱電耦合暫態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)。圖2中，IGBT模塊由電路結(jié)構(gòu)模塊和自定義參數(shù)模塊構(gòu)成。封裝后的IGBT電路結(jié)構(gòu)模塊對(duì)外引出G、C、E三個(gè)電極與主電路連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內(nèi)阻、MOSFET-BJT壓控電流源和二極管反向恢復(fù)電路組成。用軟件模塊采集各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流值輸入給模型自定義參數(shù)模塊，同時(shí)接受自定義參數(shù)模塊的輸出作為壓控電流源的控制源，由柵極G引入驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT工作狀態(tài)和各極電壓電流的控制。電路結(jié)構(gòu)模塊和IGBT靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性緊密對(duì)應(yīng)。圖3為自定義參數(shù)模塊，主要包括MOSFET-BJT電流源模塊、二極管反向恢復(fù)電流源模塊以及寄生電容參數(shù)模塊。自定義參數(shù)模塊接受電路結(jié)構(gòu)模塊以及暫態(tài)模型中各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流值，根據(jù)所述建模方法，自定義編程模塊，輸出寄生電容、MOSFET-BJT壓控電流源及二極管電流源參數(shù)給電路結(jié)構(gòu)模塊。圖4為MOSFET-BJT電流源模塊，其中模塊輸入為導(dǎo)通門(mén)檻電壓VT、柵射極電壓Vge、集射極電壓Vce、集電極電流IC、仿真時(shí)間t以及相關(guān)控制參數(shù)等，而輸出為MOSFET-BJT壓控電流源的電流值Imos1。通過(guò)內(nèi)部按照所述步驟1內(nèi)容自定義編程實(shí)現(xiàn)，模擬MOSFET與BJT的特性。圖5為二極管反向恢復(fù)電流源模塊，其中模塊輸入為二極管電流Id、仿真時(shí)間t、反向恢復(fù)電流峰值Irm、反向恢復(fù)電流斜率dif等反向恢復(fù)參數(shù)，而輸出為二極管反向恢復(fù)電流源的電流值If。通過(guò)內(nèi)部按照所述步驟2內(nèi)容自 定義編程實(shí)現(xiàn)，模擬二極管的反向恢復(fù)特性。圖6為極間寄生電容模塊，其中模塊輸入為集射極電壓Vce、仿真時(shí)間t，而模塊輸出為輸入電容Cies、輸出電容Coes、反饋電容Cres。通過(guò)器件手冊(cè)電容特性曲線(xiàn)自定義編程實(shí)現(xiàn)，再按照所述步驟3轉(zhuǎn)化成極間寄生電容Cge、Cgc和Cce。圖7為IGBT熱學(xué)特性模塊。IGBT功耗模塊根據(jù)暫態(tài)模型獲得的電壓和電流值計(jì)算出IGBT瞬時(shí)功耗參數(shù)傳遞給IGBT熱阻模塊，再計(jì)算得到IGBT結(jié)溫參數(shù)，傳遞給IGBT熱電耦合模塊，計(jì)算得到相應(yīng)溫度下瞬時(shí)器件電氣參數(shù)。圖8為IGBT模塊平均功耗模塊。其中模塊輸入為IGBT模塊瞬時(shí)集射極電壓Vce和集電極電流IC，輸出為IGBT模塊平均功耗P，輸入至IGBT熱阻模塊。通過(guò)內(nèi)部按照所述步驟4內(nèi)容自定義編程實(shí)現(xiàn)，模擬IGBT模塊平均功耗特性。圖9為IGBT平均熱阻模塊。其中模塊輸入為IGBT模塊平均功耗P，瞬時(shí)IGBT模塊熱阻RT以及常溫時(shí)IGBT結(jié)溫TC，輸出為IGBT模塊瞬時(shí)結(jié)溫。通過(guò)內(nèi)部按照所述步驟5內(nèi)容自定義編程實(shí)現(xiàn)，模擬IGBT模塊平均熱阻特性。圖10為IGBT熱電耦合模塊。其中模塊輸入為IGBT模塊熱阻模塊輸出瞬時(shí)結(jié)溫，輸出為過(guò)剩載流子壽命τ，柵極門(mén)檻電壓VT，等效跨導(dǎo)K。通過(guò)內(nèi)部按照所述步驟6內(nèi)容自定義編程實(shí)現(xiàn)，模擬IGBT模塊熱電耦合特性，分析器件關(guān)鍵電氣參數(shù)受溫度的影響。圖11為用二極管箝位的阻感性負(fù)載電路作為高壓IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型測(cè)試電路。其中，續(xù)流二極管用IGBT模塊代替，RG為柵極外部電阻取6Ω， LL為感性負(fù)載取50uH，RL為負(fù)載電阻取2.2Ω，外部電壓VCC為1kV。表1IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)表1為以三菱公司生產(chǎn)的CM450DXL-34SA型1.7kV/450A-IGBT功率模塊為例，IGBT模塊開(kāi)關(guān)暫態(tài)模型的關(guān)鍵參數(shù)。兩路柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1和Ug2通過(guò)輸出+15V與0V來(lái)分別控制IGBT1模塊和IGBT2模塊的工作狀態(tài)。測(cè)試電路中，Ug1恒定為0V，即IGBT1保持關(guān)斷，只起續(xù)流二極管作用。通過(guò)控制Ug2輸出電壓+15V與0V先導(dǎo)通IGBT2模塊，對(duì)負(fù)載電感LL充電，將電路電流升至450A，再關(guān)斷IGBT2模塊得到IGBT2模塊的關(guān)斷電流和電壓暫態(tài)波形，負(fù)載電感通過(guò)IGBT1模塊中二極管續(xù)流，再開(kāi)通IGBT2模塊得到相應(yīng)的開(kāi)通電壓電流暫態(tài)波形來(lái)測(cè)試模型穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，PSCAD和SABER的仿真波形對(duì)比結(jié)果如圖6所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型正確性，采用IGBT型號(hào)為SGH40N60，續(xù)流二極管的型號(hào)為HFA25TB60，根據(jù)相應(yīng)型號(hào)器件手冊(cè)，提取并修改相關(guān)仿真參數(shù)，仿真波形與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖7所示。通過(guò)PSCAD仿真波形與SABER仿真波形以及實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，本發(fā)明提出的實(shí)用熱電耦合IGBT模塊暫態(tài)模型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT的各種工作狀態(tài)，而且可以模擬電流電壓尖峰、米勒平臺(tái)、拖尾電流、二極管反向恢復(fù)電流等開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性以及IGBT模塊熱電耦合特性。最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3