基于散热特征的高压直流电源IGBT结温预测数学模型

2019-10-07 21:52:24 Westpac Electronics
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针对目前高压直流电源IGBT结温预测模型无法灵活应用于多时间尺度仿真与快速计算模式的问题,通过将简单(阶跃)信号下得到的动力学作用分量应用于复杂(PWM)信号下,建立高压直流电源IGBT结温预测数学模型。基于经典Cauer传热RC网络结构,建立针对阶跃功率输入信号的高压直流电源IGBT结温预测数学模型。提出采用自然解耦的方法,对高压直流电源IGBT传热动力学特性进行研究,建立传热动力学作用分量的准确表征。

在此基础上,采用自然解耦与精确补偿的方法,建立针对PWM脉冲功率输入信号的高压直流电源IGBT瞬态结温预测数学模型。仿真与实验结果验证了模型的正确性与准确性。所建高压直流电源IGBT结温预测数学模型对于查明高压直流电源IGBT器件的传热动力学作用机理,实现结温的快速有效仿真与计算,建立高压直流电源IGBT传热多时间尺度数学模型具有重要的理论意义和应用价值。

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, 高压直流电源IGBT)具有驱动控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等优点,是实现自动控制和功率变换的关键核心部件。

随着高压直流电源IGBT器件在电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网、军工装备等领域的广泛应用,其可靠性已成为制约电力电子装置快速发展的瓶颈,所以研究高压直流电源IGBT器件的可靠性对于提高电力电子装置可靠性、广泛应用及其快速发展至关重要,而决定高压直流电源IGBT器件失效、影响其可靠性的关键因素为温度。并且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、精度和仿真速度有不同的要求。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。

对于高压直流电源IGBT器件传热模型环节,依据电力电子器件到装置的级别,对高压直流电源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。器件级热仿真关注的时间尺度为百纳秒到微秒,组件级热仿真关注的时间尺度为毫秒级,装置级热仿真关注的时间尺度为秒级。查明结温运行规律与传热作用机理、建立基于传热动力学作用特征的高压直流电源IGBT传热数学模型,对于实现结温的快速有效计算、建立高压直流电源IGBT传热多时间尺度数学模型具有重大的理论意义和应用价值。

当前关于高压直流电源IGBT结温仿真与计算的相关报道主要针对如何获取高压直流电源IGBT结温[1-4]、如何实现高压直流电源IGBT结温的模拟与仿真[5-10]进行了研究。文献[11]通过分析高压直流电源IGBT模块的封装类型并获取结构参数,基于Saber仿真平台,建立了高压直流电源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。

文献[12]基于高压直流电源IGBT模块的Foster网络结构与Saber仿真平台,考虑电力电子装置的基本结构,建立了高压直流电源IGBT模块的温度估计方法。文献[13]通过考虑单个模块的芯片内部布置与三维结构,基于三维建模仿真平台,建立了高压直流电源IGBT模块三维温度行为仿真模型。

文献[14]通过测试高压直流电源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网络结构模型对高压直流电源IGBT模块的结温行为运行规律进行模拟仿真。

综上,当前研究主要基于仿真软件搭建高压直流电源IGBT传热网络行为模型,可以对高压直流电源IGBT芯片结温运行规律等行为进行仿真,但关于高压直流电源散热传递作用机理与互动关系、瞬态结温数学模型等研究内容未见报道,并且基于当前研究不能开展高压直流电源IGBT传热多时间尺度建模工作。因此,本文对高压直流电源IGBT传热动力学作用机理与规律进行研究,并建立了高压直流电源IGBT传热与瞬态结温数学模型、结温波动信息数学模型等,以弥补上述行为模型的不足。

首先,基于经典Cauer传热RC网络结构,建立针对阶跃功率输入信号的高压直流电源IGBT传热数学模型;提出采用自然解耦的方法,对高压直流电源IGBT传热动力学特性进行研究,查明传热动力学作用机理与互动机制,建立了传热动力学作用分量的准确表征。在此基础上,通过理论推导,建立针对PWM脉冲功率输入信号的高压直流电源IGBT瞬态结温数学模型,并进行实验验证。
高压直流电源IGBT模块基本结构与物理层热传导示意图

图1  高压直流电源IGBT模块基本结构与物理层热传导示意图

结论

本文基于经典Cauer传热RC网络结构与传热理论,建立了针对阶跃功率输入信号的高压直流电源IGBT传热数学模型,查明了传热动力学作用机理与互动机制,建立了传热动力学作用分量的准确表征,建立了针对PWM脉冲功率输入信号的高压直流电源IGBT瞬态结温数学模型与结温波动信息数学模型。模型计算与实验结果对比,验证了模型的正确性与准确性。该研究为结温运行规律仿真与计算、传热多时间尺度建模与可靠性评估研究奠定了基础。


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