一种符合欧姆定律的IGBT等效电阻模型

发布时间：2021-08-03 00:48

　　有限元仿真普遍通过求解电流守恒方程来实现对电流场的计算,计算方法上符合欧姆定律,即电流与电压呈正比关系。IGBT的电气特性本质上区别于纯导体,芯片的电导率也不等同于芯片材料的电导率,因此无法直接应用于有限元仿真。针对这一问题,该文首先通过最小二乘法对IGBT的V-I特性曲线进行了分段线性化处理,并通过函数转换构建了一种在计算方法上符合欧姆定律的IGBT等效电阻模型。然后进一步将IGBT芯片的等效电阻转换为等效电导率,构建了基于有限元的IGBT电热耦合模型。最后通过短时变电流的单脉冲测试对所建立的模型进行了验证。实验结果表明:所提出的建模方法可以在满足欧姆定律基本算法的基础上,对电流连续变化工况下的IGBT电热特性进行准确表征。 

【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(02)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

Rchip＿equ与Tj、ICE的相互关系

本文所研究的斯达某型1 200V/50A模块为典型的焊接式封装结构，其内部结构如图4所示。该模块为半桥结构，包括两支IGBT芯片和两支二极管芯片。模块在纵向上有7层结构组成，分别为芯片层、芯片焊料层、上铜层、陶瓷层、下铜层、衬底焊料层以及基板。其中芯片层上表面镀有铝金属薄层；上下铜层通过“直接键合”覆盖在陶瓷层表面；键丝通过超声波焊接与芯片层及上铜层相连。该型模块的主要性能参数见表1。2.2 电热耦合模型

IGBT在导通电流时会产生功率损耗，在焦耳热作用下模块的温度会升高，整体上表现为横向及纵向上的温度分布不均衡[15]。材料特性（如热导率、热容等）受温度影响较大，从而会影响温度场的计算。与此同时，用不断更新的温度重新计算芯片的等效电导率，进而得到实时变化的损耗参数，应用FEM对IGBT的电热耦合效应进行求解的基本原理如图5所示。由此可见，IGBT的电气特性与温度有很强的依赖关系，因此只有同时求解传热问题和电问题才能精确求解温度分布与电流分布。将式（7）得到的IGBT芯片等效电阻代入式（8），可得到FEM仿真所需的IGBT芯片等效电导率σ。在FEM仿真中，首先通过给定的初始条件对电流场进行求解，得到IGBT的功率损耗Qj，如式（9）所示[7]。在考虑内热源的影响时，可进一步通过式（10）所示的偏微分方程求解温度分布问题[16]。


本文编号：3318601