IGBT电力电子系统多时间尺度动态性能的建模与分析

摘要

随着电力电子技术的不断进步和电力电子器件的快速发展，IGBT正向着高开关频率、大功率密度方向迈进。而IGBT开关频率的急剧增加将导致其输出电流变化率非常大，其动态过程的时间尺度从ms级上升到μs级直至ns级，使得此时瞬态电磁过程具有小时间尺度的特征。
　　为了解决现有模型不完全适用于小时间尺度电力电子系统瞬态性能分析与计算的不足，本文建立IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性数值分析的三维电磁场-电路耦合计算模型，并提出其求解的迭代计算方法。首先，为精确描述小时间尺度下IGBT内部瞬态电磁场及其分布规律，提出的IGBT本体三维有限元模型考虑了位移电流、趋肤效应和引线邻近效应等复杂因素的影响;其次，为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的电磁效应，本文采用高阶杂散参数电路模型，以多段等效电路模拟杂散参数的影响，同时采用谐态电磁场数值分析计算方法提取模型参数以考虑趋肤效应等的影响;再次，基于IGBT内部电磁暂态过程的分析，提出了一种改进的IGBT电路模型;最后，为兼顾计算精度和计算时间的要求，本文还提出等效高阶电路模型的一种降阶方法。仿真计算和实验测量结果证明了上述工作的有效性和正确性。
　　另一方面，随着IGBT功率密度和开关速度的不断增大，器件内部开关、导通损耗也将随之增大，进而导致较高的温升，从而影响器件的性能及寿命。为此，本文研究了IGBT内部的涡流-温度耦合场，建立了IGBT本体内三维涡流-温度耦合场的数学模型和计算方法，通过仿真计算与实验研究探索了典型IGBT内部温度场的分布规律。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 本文的研究背景与学术意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 IGBT系统杂散参数影响研究

1．2．2 IGBT模块开关瞬态下的温度特性研究

1．2．3 现有IGBT模型简介

1．3 本文的主要工作

1．4 本章小结

第2章 IGBT电力电子系统高阶等效电路模型与有限元-电路耦合模型

2．1 杂散参数的提取

2．1．1 杂散参数的影响

2．1．2 杂散参数的计算

2．2 考虑杂散参数的电路模型

2．2．1 考虑杂散参数的高阶电路模型

2．2．2 IGBT的改进模型

2．2．3 高阶电路降阶技术

2．3 IGBT本体三维电磁场有限元模型

2．3．1 电磁场基本理论

2．3．2 IGBT本体模型

2．4 三维瞬态有限元-电路模型的求解

2．4．1 有限元法

2．4．2 IGBT三维瞬态有限元-电路模型的求解

2．5 本章小结

第3章 IGBT三维涡流-温度耦合场模型

3．1 热分析基础知识

3．1．1 热传递的方式

3．1．2 热力学第一定律

3．1．3 热分析的控制方程

3．2 热分析有限元法

3．3 耦合场分析概述

3．3．1 耦合场有限元分析简述

3．3．2 耦合场分析定义和类型

3．3．3 耦合场分析方法

3．4 IGBT三维涡流-温度场的数值模型

3．4．1 半导体的热导率

3．4．2 半导体的电阻率

3．4．3 非线性三维涡流-温度耦合场的模型

3．4．4 三维涡流-温度耦合场的数值求解

3．5 本章小结

第4章 计算实例与实验验证

4．1 IGBT电力电子系统等效电路模型的瞬态过程计算分析

4．1．1 典型IGBT系统模型高阶电路的降阶模型

4．1．2 典型IGBT系统模型的实验结果与分析

4．2 IGBT电力电子系统有限元模型的计算与分析

4．3 IGBT三维涡流-温度耦合场的计算分析

4．4 本章小结

第5章 全文总结

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文