一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法与流程

技术特征：

1.一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：包括：

建立IGBT模块开关暂态模型；

建立IGBT平均功耗模块；

建立IGBT平均热阻模块；

建立IGBT热电耦合模块；

根据所述模块建立热电耦合IGBT模块暂态模型。

2.如权利要求1所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：所述IGBT模块开关暂态模型包括建立的IGBT开关暂态模型和建立的反并联二极管反向恢复模型。

3.如权利要求1所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：所述IGBT平均功耗模块包括开通功耗、关断功耗和通态功耗。

4.如权利要求3所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：假设占空比为δ，流过IGBT模块的电流为正弦信号：i_C＝I_CM*sinα，随着载波频率的提高，导通损耗减小，半周期内总的导通损耗不变，半周期内IGBT的通态功耗为：

$P_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{CE}}{i}_C\mathrm{\δd\α}=\frac{V_{\mathrm{CEN}}-V_{\mathrm{CE}0}}{4I_{\mathrm{CN}}}\mathrm{\δ}{I}_{\mathrm{CM}}^2+\frac{\mathrm{\δ}{V}_{\mathrm{CE}0}{I}_{\mathrm{CM}}}{\mathrm{\π}}$

其中α为电流相角，V_CE为IGBT模块两端电压，V_CEN和I_CN为数据手册上额定电压和额定电流，V_CE0为门槛电压，I_CM为正弦信号幅值。

设t_r和t_f分别为器件的上升和下降时间，f为开关频率，得到所述正弦信号一个周期开通功耗为：

$E_{\mathrm{ON}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_o^{\mathrm{\π}}\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{CE}}{i}_C{t}_r\mathrm{d\α}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{CEN}}{t}_r{I}_{\mathrm{CM}}$

同理可得一个周期内的关断损耗：

$E_{\mathrm{OFF}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{CEN}}{t}_f{I}_{\mathrm{CM}}$

由叠加原理，总的开关损耗功率为开通关断功耗的和:

P₂＝(E_ON+E_OFF)×f

由上述分析可得，在假设条件下，一个IGBT总的功耗为:

$P=P_1+P_2=\frac{V_{\mathrm{CEN}}-V_{\mathrm{CE}0}}{4I_{\mathrm{CN}}}\mathrm{\δ}{I}_{\mathrm{CM}}^2+\frac{\mathrm{\δ}{V}_{\mathrm{CE}0}{I}_{\mathrm{CM}}}{\mathrm{\π}}+(\frac{1}{2\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{CEN}}{t}_r{I}_{\mathrm{CM}}+\frac{1}{2\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{CEN}}{t}_f{I}_{\mathrm{CM}})\×f$

5.如权利要求1所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：建立所述IGBT平均热阻模块的前提包括：假设IGBT热传导率与温度无关；假设IGBT中存在一个统一的结温，所述结温是某个平均结温，也就IGBT结到管壳间的平均热阻。

6.如权利要求5所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：所述平均热阻R_T通过下式确定：

$R_T=\frac{\mathrm{\ΔT}}{P}=\frac{T_j-T_C}{P}$

T_j＝T_C+PR_T

其中，T_j为结温，T_C为常温298K，P为平均功耗。

7.如权利要求1所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：所述热电耦合IGBT模块暂态模型中受温度影响变化的IGBT器件内部电气参数包括过剩载流子寿命τ，栅极门槛电压V_T和跨导K_P；并通过下式确定：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}\left(T_j\right)=\mathrm{\τ}\left(T_0\right){\left(\frac{T_j}{T_0}\right)}^{1.5}\\ V_T\left(T_j\right)=V_T\left(T_0\right)-K_{\mathrm{th}}(T_j-T_0)\\ K_p\left(T_j\right)=K_p\left(T_0\right){\left(\frac{T_0}{T_j}\right)}^{0.8}\end{array}\right.$

其中，τ(T₀)，V_T(T₀)，K_P(T₀)分别为过剩载流子浓度，门槛电压，跨导参数在常温T₀时的值；τ(T_j)，V_T(T_j)，K_P(T_j)为温度为T_j时的值；K_th为门 槛电压的系数。

8.如权利要求2所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：所述IGBT开关暂态模型包括MOSFET-BJT模块、拖尾电流模块和寄生电容模块。

9.如权利要求8所述的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征在于：所述MOSFET-BJT模块通过将所述拖尾电流模块中的拖尾电流和当IGBT工作于不同状态时，采用压控电流源来模拟所述IGBT模块暂态模型的通态电流I_C结合获得；

所述通态电流I_C，其解析表达式如下：

$I_C=(1+\mathrm{\β})I_{\mathrm{mos}}=\left\{\begin{array}{c}0,V_{\mathrm{ge}}\≤V_T\\ K(V_{\mathrm{ge}}-V_T-\frac{V_{\mathrm{ce}}}{2})V_{\mathrm{ce}},V_{\mathrm{ce}}\≤V_{\mathrm{ge}}-V_T\\ K\frac{{(V_{\mathrm{ge}}-V_T)}^2}{2},V_{\mathrm{ce}}>V_{\mathrm{ge}}-V_T\end{array}\right.$

其中，等效跨导K＝(1+β)K_p；V_ge为栅射极电压；V_T为IGBT导通门槛电压；V_ce为IGBT集射极电压；K_p为MOSFET跨导参数；β为BJT电流增益；I_mos为流过MOSFET电流；

所述拖尾电流通过下式确定：

$I_{\mathrm{tail}}=\mathrm{\β}{I}_{\mathrm{mos}}{e}^{-\frac{t-t_0}{\mathrm{\τ}}}=I_{\mathrm{tail}0}{e}^{-\frac{t-t_0}{\mathrm{\τ}}}$

其中，τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；t为拖尾起始后仿真时间；t₀为拖尾电流起始时间；关断过程中当V_ge小于阈值电压时开始拖尾，此时集电极电流为拖尾起始电流I_tail0；

利用输入电容C_ies、输出电容C_oes和反馈电容C_res与极间电容的关系，结合IGBT模块器件手册数据，得各极间寄生电容值，完成寄生电容模块。

10.如权利要求2所述一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，其特征 在于：所述反并联二极管反向恢复模型结合二极管反向恢复特性，并基于器件数据手册，建立其相应模型。