IGBT传热多时间尺度模型建模方法技术

本发明专利技术的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，以器件到装置对IGBT传热模型的不同需求为主线，以器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度为切入点。1、基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；2、对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；3、采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；据本方法建立的适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热多时间尺度数学模型，有助于查明IGBT器件的结温运行规律，可有效实现电力电子器件到装置的独立与联合仿真。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子器件建模与可靠性
，具体地指一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法。技术背景准确高效的仿真模型是完成虚拟仿真、实现精确设计、指导实际应用等功能的重要基础。在电力电子电能变换领域，不同设计阶段和应用背景下，对仿真模型的特性、精度和仿真速度有着不同要求。因此，根据需求提供满足一定要求的仿真模型是建模工作的关键。对于IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)器件传热模型环节，依据电力电子器件到装置的级别，对IGBT器件传热模型的需求可以划分为，器件级、组件级和装置级。器件到装置级热仿真对于IGBT器件传热模型的需求为仿真精度逐渐降低、仿真速度逐渐提高。器件级热仿真需要IGBT传热模型能够对芯片结温的运行规律、封装结构不同层温度及不同层之间的动力学作用效应进行仿真，并要求精度高；组件级热仿真需要IGBT传热模型能够对芯片结温运行规律进行仿真，但相对于器件级仿真来说，仿真精度降低、仿真速度提高；而对于装置级热仿真只需IGBT传热模型能够对其最高结温进行仿真，以指导散热和结构设计等，对于IGBT结温运行规律和开关瞬态过程要求低，并且要求仿真速度更快。所以依据上述特点与需求建立IGBT传热模型，对于查明传热作用机理与规律、提高模型仿真效率与适用性、实现快速有效的结温仿真与计算至关重要。当前关于经典RC传热网络模型的研究报道很多，主要针对如何实现IGBT结温规律仿真开展研究。通过分析IGBT模块的封装类型并获取结构参数，建立了IGBT模块Cauer热网络结构的行为模型，用于对芯片结温进行模拟仿真。基于IGBT模块的Foster网络结构，考虑电力电子装置的基本结构，建立了IGBT模块的温度估计方法。通过考虑单个模块的芯片内部布置与三维结构，建立了IGBT模块三维温度行为仿真模型。通过测试IGBT模块的瞬态热阻抗曲线，以Foster热网络结构理论表达式为目标函数，拟合得到Foster热网络结构下的热阻热容参数，进而基于得到的Foster网络结构模型对IGBT模块的结温行为运行规律进行模拟仿真。综上，当前研究多针对IGBT模块的结构与瞬态热阻抗曲线，建立了其Cauer与Foster热网络结构的行为模型，旨在实现IGBT模块的结温预测与仿真，但关于适用于不同装置等级、不同时间尺度的IGBT传热模型等研究内容未见报道。因此，本专利技术依据器件到装置不同等级对IGBT传热模型的仿真需求，建立一种IGBT传热多时间尺度数学模型。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，该方法以器件到装置对IGBT传热模型的不同需求为主线，以器件封装结构各层传热时间常数的不同时间尺度为切入点，基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构，通过理论推导、合理简化、研究传热动力学作用机制等，建立了适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热多时间尺度模型。依据本方法建立的IGBT传热多时间尺度数学模型，有助于查明IGBT器件的传热网络结构特征与结温运行规律，可有效实现电力电子器件到装置的独立与联合仿真。为实现此目的，本专利技术所设计的一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；步骤3：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用自然解耦的方法，得到IGBT传热动力学作用机理与互动机制，通过研究多层传热网络结构的动力学作用特性，得出结温达到稳态之后，动力学作用效应消失，动力学作用分量为0的结论，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了表征传热动力学作用分量的方法，进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；步骤4：基于器件到装置对IGBT传热模型的不同需求，依据器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，根据上述适用于器件级热仿真的IGBT传热模型、适用于组件级热仿真的IGBT传热模型和适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，建立IGBT传热模型多时间尺度建模。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，针对IGBT器件完整的封装结构，通过考虑各层的几何尺寸与物理属性，建立了适用于器件级热仿真的IGBT传热数学模型，可直接用于器件级热仿真的IGBT传热特性精确仿真与计算。(2)本专利技术基于传热网络的运行特征，查明了单层与多层热网络结构的结温运行规律以及简化标准与方法，建立了适用于组件级热仿真的IGBT传热数学模型，可直接用于组件级热仿真的IGBT传热特性精确仿真与计算。(3)本专利技术采用自然解耦的方法，查明了IGBT传热动力学作用机理与互动机制，提出了表征传热动力学作用分量的方法，进而建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，可直接用于装置级热仿真的IGBT传热特性精确仿真与计算。附图说明图1为IGBT模块RC传热Cauer模型；图2为N层Cauer热网络结构Laplace变换；图3为IGBT模块sandwich基本结构；图4为七阶Cauer热网络结构模型；图5为Cauer热网络模型传热规律时域分析轴；图6为三阶Cauer热网络结构模型；图7为IGBT模块3层RC网络自然解耦模型；图8为3层网络耦合与自然解耦模型仿真结果；图9为3层网络动力学作用分量变化规律；图10为三阶Cauer热网络自然解耦一阶模型；图11为IGBT传热模型实验验证电路；图12a为不同电流下实验测试过程中功率损耗与散热器温度的功率损耗；图12b为不同电流下实验测试过程中功率损耗与散热器温度的散热器温度；图13a为10A电流下模型仿真与实验结果对比；图13b为30A电流下模型仿真与实验结果对比；图13c为50A电流下模型仿真与实验结果对比；图14a为不同电流下模型仿真与实验结果对比；图14b为不同电流下模型仿真与实验结果对比的误差分析；图15为IGBT模块芯片结温及各层温度仿真分析；图16a为适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热模型仿真结果对比；图16b为适用于器件到装置级热仿真的IGBT传热模型仿真结果误差分析；图17为IGBT传热多时间尺度数学模型建模方法实施步骤流程图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，它包括如下步骤：步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；步骤3：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用自然解耦的方法，得到IGBT传热动力学作用机理与互动机制，通过研究多层传热网络结构的动力学作用特性，得出结温达到稳态之后，动力学作用效应消失，动力学作用分量为0的结论，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了表征传热动力学作用分量的方法，进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；步骤4：基于器件到装置对IGBT传热模型的不同需求，依据器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，根据上述适用于器件级热仿真的IGBT传热模型、适用于组件级热仿真的IGBT传热模型和适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，建立IGBT传热模型多时间尺度建模。...

【技术特征摘要】
1.一种IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论，通过建立IGBT器件的Cauer热网络结构，并对IGBT器件的Cauer热网络结构进行Laplace变换与反变换，建立适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；步骤2：对步骤1所建立的适用于器件级热仿真的IGBT传热模型，采用基于传热网络的运行特征，通过建立多层热网络模型的简化方法，对适用于器件级热仿真的IGBT传热模型进行简化，建立适用于组件级热仿真的IGBT传热模型；步骤3：对步骤2所建立的适用于组件级热仿真的IGBT传热模型，采用自然解耦的方法，得到IGBT传热动力学作用机理与互动机制，通过研究多层传热网络结构的动力学作用特性，得出结温达到稳态之后，动力学作用效应消失，动力学作用分量为0的结论，采用3层网络自然解耦之后的加合量来表征结温变化规律，建立了表征传热动力学作用分量的方法，进而，建立了适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型；步骤4：基于器件到装置对IGBT传热模型的不同需求，依据器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度，根据上述适用于器件级热仿真的IGBT传热模型、适用于组件级热仿真的IGBT传热模型和适用于装置级热仿真的IGBT传热数学模型，建立IGBT传热模型多时间尺度建模。2.根据权利要求1所述的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于：所述步骤1中的经典Cauer传热RC网络结构的表达式为：公式1中，Rn为Cauer热网络结构第n层热阻，n取正数，Cn为第n层热容，n取正数，s为由时域t进行laplace变换到频域后的复数变量，Pn(s)与Pn′(s)为第n个节点处热容与热阻支路功率流Pn(t)与Pn′(t)的laplace变换结果，Pin(s)为IGBT功率损耗Pin(t)的laplace变换结果，Tj(s)为IGBT芯片结温Tj(t)的laplace变换结果，Tc(s)为IGBT模块壳温Tc(t)的laplace变换结果。3.根据权利要求2所述的IGBT传热多时间尺度模型建模方法，其特征在于：对经典Cauer传热RC网络结构的表达式进行反拉普拉斯变换即可求出芯片结温及以下各层的温度，如式(2)与式(3)所示；Pn(t)…P1(t)，Pn'(t)…P1'(t)，Tj(t)＝f(Cn…C1，Rn…R1，Pin(t)，Tc(t))(2)公式2和3中，Tn(t)为Cauer热网络结构第n层温度，n取正数，Rn为Cauer热网络结构第n层热阻，Cn为第n层热容，Pn′(t)为第n个节点处热阻支路功率流，Pn(t)为第n个节点处热容支路功率流，Pin(t)为IGBT功率损耗，Tj(t)为IGBT芯片结温，Tc(t)为IGBT模块壳温；根据经典Cauer传热RC网络结构以及公式2和公式3，建立完整的七阶IGBT传热网络结构模型；对完整的七阶IGBT传热网络结构模型进行拉普拉斯变化与反变换，即可求出芯片结温及以下封装各层的温度，如式(4)与式(5)所示，即适用于器件级热仿真的IGBT传热模型；P7(t)…P1(t)，P7'(t)…P1'(t)，Tj(t)＝f(C7…C1，R7…R1，Pin(t)，Tc(t))(4)T7(t)T6(t)T5(t)T4(t)T3(t)T2(t)T1(t)=P7′(t)P6′(t)P5′(t)P4′(t)P3′(t)P2′(t)P1′(t)0P6′(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宾礼，肖飞，罗毅飞，汪波，段耀强，普静，孙文，熊又星，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42