一种IGBT电热联合仿真方法、系统和设备

本发明涉及电力电子器件可靠性，具体涉及一种igbt电热联合仿真方法、系统和设备。

背景技术：

1、绝缘栅双极晶体管(igbt)功率模块由于功率密度和效率高，已广泛应用于新能源汽车的功率转换器。根据寿命预测模型，功率模块的功率周期到失效与最大结温和结温波动密切相关。为了预测功率模块的寿命和提高整个电力电子系统的可靠性，需要准确估计结温。

2、有限元法(finiteelementmethod,fem)是一种基于材料与结构的数值解法,可对igbt的温度、应力特性进行精确求解,但由于有限元分析方法消耗计算资源较大、分析时间场等问题难以用于igbt模块结温瞬态分析，为此。我们提出igbt电热联合仿真方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种igbt电热联合仿真方法，既能大幅提高计算效率又能保证计算精度的igbt瞬态温度快速计算方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本申请提出一种igbt电热联合仿真方法，包括：

4、搭建igbt的电路模型、三相逆变器电路模型，通过电路模型联合仿真计算igbt功耗；

5、搭建igbt的热瞬态模型，定义有限元模型的边界条件和输出，在不同边界条件下通过有限元模拟获得训练数据；

6、搭建igbt的热降阶模型，将训练数据利用svd技术进行数据压缩，并通过机器学习技术构建边界条件与随机时间系数之间的数学关系，建立igbt热降阶模型；

7、将igbt损耗代入到igbt热降阶模型中计算igbt结温；使用igbt热降阶模型计算的igbt结温代入到联合仿真电路模型中计算igbt损耗，实现电路和温度场的场路耦合，完成igbt的电热联合仿真，基于仿真结果分析不同运行工况下igbt模块的损耗及温度分布。

8、在一些实施例中，所述电路模型联合仿真计算igbt功耗包括以下步骤：

9、基于igbt的物理结构和电气特征，建立igbt电路元器件模型；

10、基于igbt电路元器件模型，建立igbt联合仿真电路模型；

11、基于igbt联合仿真电路模型，建立igbt的导通模型和开关损耗模型；

12、基于igbt导通损耗模型和开关损耗模型，计算igbt的导通损耗和开关损耗，两者得到igbt损耗。

13、在一些实施例中，所述igbt模块热瞬态模型搭建步骤如下：

14、基于igbt的内部结构特征和几何尺寸，建立igbt三维结构模型；

15、对igbt三维结构模型进行网格划分，并设置igbt三维模型的边界条件和材料属性。

16、在一些实施例中，所述igbt模块热降阶模型搭建步骤如下：

17、基于igbt模块热瞬态模型生成多工况输入条件下的计算结果作为降阶模型的训练数据；

18、对训练数据利用svd技术进行数据压缩，并验证压缩后数据结果精度；

19、采用龙格-库塔数值计算方法建立输入激励和输出响应之间的降阶模型。

20、第二方面，本申请提出一种应用如第一方面所述的基于降阶模型的igbt电热联合仿真系统，其特征在于，包括：

21、igbt功耗模块：基于igbt的电路模型和三相逆变器电路模型联合仿真计算igbt功耗；

22、训练数据模块：基于igbt的热瞬态模型，定义有限元模型的边界条件和输出，在不同边界条件下通过有限元模拟获得训练数据；

23、处理模块：将训练数据利用svd技术进行数据压缩，并通过机器学习技术构建边界条件与随机时间系数之间的数学关系，建立igbt热降阶模型；

24、仿真模块：基于igbt损耗与温度分布参数的相互传递，实现场路耦合的循环计算，基于计算结果分析不同运行工况下igbt模块的损耗及温度分布。

25、第三方面，一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了如第一方面所述的一种igbt电热联合仿真方法。

26、第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，采用了如第一方面所述的一种igbt电热联合仿真方法。

27、本发明的有益效果：

28、本发明提出的一种igbt电热联合仿真方法，通过采用模型降阶的方法能够在保证仿真精度的同时尽可能地提高仿真效率；

29、本发明提出的一种igbt电热联合仿真方法，能够实现电与热的双向耦合，能够对igbt模块的电热特性进行全面精确的模拟。

30、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.一种igbt电热联合仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的igbt电热联合仿真方法，其特征在于，所述电路模型联合仿真计算igbt功耗包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的igbt电热联合仿真方法，其特征在于，所述igbt模块热瞬态模型搭建步骤如下：

4.根据权利要求1所述的igbt电热联合仿真方法，其特征在于，所述igbt模块热降阶模型搭建步骤如下：

5.一种应用如权利要求1至4任意一项所述的基于降阶模型的igbt电热联合仿真系统，其特征在于，包括：

6.一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了权利要求1至4中任一项所述的一种igbt电热联合仿真方法。

7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器加载并执行时，采用了权利要求1至4中任一项所述的一种igbt电热联合仿真方法。

技术总结
本发明公开了一种IGBT电热联合仿真方法、系统和设备，涉及电力电子器件可靠性技术领域。本发明包括如下步骤：建立IGBT的电路模型计算功耗；基于IGBT的几何尺寸和内部特征建立IGBT有限元热模型；基于IGBT有限元热模型训练数据，通过SVD和机器学习技术建立IGBT热降阶模型；使用场路耦合方法，实现IGBT的电热耦合，求解IGBT结温。与现有技术相比，能够精确地表征IGBT模块的功耗，同时能够准确计算出IGB模块的结温，并且相较于有限元仿真分析方法计算速度大大提高，进一步缩短了产品设计周期的。

技术研发人员：邓富金,耿佳豪
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14