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绝缘栅双极型晶体管结温仿真模型及其应用研究

徐铭伟  
【摘要】:近年来,随着半导体制造工艺的进步和电力电子系统应用要求的提高,功率变换器系统中IGBT模块的功率等级和密度也越来越高,迫使其内部的功率器件承受很高的热应力,尤其是对于风力发电用变频器系统这类工作环境恶劣且输出功率波动剧烈的应用场合,IGBT模块的寿命和长期可靠性受到了显著影响。结温不仅同IGBT模块的寿命及可靠性直接相关,还会影响其工作性能,甚至于改变变换器输出端波形的谐波分布情况。因此,获得既定工作条件下IGBT模块内功率器件的结温状况,对于确保其安全可靠的使用和冷却装置的合理选择等具有显著意义,本文将对准确仿真预测IGBT模块结温的方法,三相逆变器系统中结温相关影响因素以及风电变频器系统中非平稳工况下的结温波动情况开展研究工作。 所有的电力电子器件在运行过程当中都会产生一定的能量损耗,IGBT也不例外,通常这部分损耗在IGBT内部以热的形式存在,从而将改变电力电子器件内部的温度分布。本文首先对IGBT模块的封装结构和模块内部的热传递过程进行分析,并概述模块热阻的定义,在此基础之上对IGBT模块内部占据主导地位的一维热传导过程进行了理论建模,接着推导工作结温的计算方法。根据半导体物理理论的知识,归纳总结硅芯片参数的温度效应,然后基于此从实验和理论两个角度对IGBT的温度效应进行分析,从而阐述IGBT结温的变化是电、热两种物理场综合作用的结果。 对IGBT器件的数学物理模型进行研究,采用了一种参数隔离实验与经验公式相结合的简便的模型参数提取方法,并利用提取到的特定型号IGBT器件模型参数在Saber仿真软件中对其瞬时结温特性进行仿真模拟,从而在功率半导体器件物理模型的角度分析器件工作结温的动态变化过程。 针对变换器系统级模型中,利用IGBT器件的数学物理模型仿真结温存在仿真步长偏短、耗时严重、且易不收敛的问题,本文采用基于数学运算方法的损耗模型和描述模块热传导过程的传热网络模型相结合的方法来搭建基于系统级的IGBT模块结温预测模型,大大提升结温仿真的速度,且模型考虑热电耦合效应,可以更加准确的模拟实际工况下IGBT模块的结温变化过程。 根据IGBT模块工作过程当中,结温峰值和稳态波动值是影响其可靠性和寿命的最直接因素,本文利用在MATLAB/Simulink中搭建的三相逆变器系统的IGBT模块结温仿真模型,详细讨论分析不同负载工况和工作环境对IGBT模块结温峰值和稳态波动值的影响,并针对风力发电系统中变频器的具体应用,仿真模拟一段时间内非平稳工况下IGBT模块结温的波动情况,从而为IGBT模块结温的在线监测与控制研究提供理论依据。


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