基于场路耦合的大功率IGBT多速率电热联合仿真方法

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IGBT模块在以短路为代表的非周期过载极端工况中，其自热效应明显。由于高压、大电流等外载荷的冲击，IGBT的温度会在短时内迅速升高，进而影响IGBT芯片的半导体特性以及封装结构的材料特性，并最终直观表现为模块端口电气特性的变化。此时，需要同时关注IGBT的电气特性与温度分布特性，而电问题与热问题在时间尺度上的差异为电热耦合仿真带来了不便。

基于此，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员贾英杰、肖飞、罗毅飞、刘宾礼、黄永乐，在2020年第9期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于场路耦合的电热联合仿真方法。首先阐述IGBT场路耦合联合仿真的基本原理；然后分别在Simulink与COMSOL中构建基于IGBT物理模型的电路模型以及基于有限元的热模型，通过Matlab控制脚本实现了多速率仿真策略下的电热联合仿真；最后以ABB 3.3kV/1 500A大功率IGBT模块为例，通过开关暂态测试和短路测试对所提出的仿真方法进行了验证。

（图片来源：Pixabay）

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, 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，是高压、大容量电力电子变换装置的核心部件。在运行过程中，IGBT在电载荷作用下会产生功率损耗，进而引起模块温度的升高。

温度是半导体器件的敏感参数，不仅会影响IGBT的端口电气特性，同时也会影响封装结构的材料特性（如热导率、热容、热膨胀系数等）。这种电热耦合效应是动态连续的，因此只有同时对传热问题和电问题进行求解才能精确表征IGBT的电热特性。

此外，理论和实践证明，在高压、大电流等极端工况下IGBT的自热效应非常显著，温度超标也是导致器件失效、损坏以及性能退化的主要原因。尤其在以短路工况以及电磁发射、高压直流断路器等应用为代表的短时、非周期极端过载条件下，IGBT处于高电压、大电流、高温等应力叠加的暂态过程，失效的概率和风险急剧增加。

因此，电路和装置设计人员需要一种能够准确反映IGBT自热效应的电热耦合模型，从而实现对极端工况下IGBT电气特性以及温度特性的精确模拟，这对IGBT器件及电力电子装置的工作特性分析以及可靠性评估等问题都具有重大的理论意义和应用价值。

针对IGBT器件的电热耦合建模，国内外学者已开展了较多研究，但是多有不足之处。因此，为构建适用于非周期过载极端工况，并充分考虑IGBT自热效应的电热耦合模型，海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员，综合了IGBT物理模型与FEM模型的优势，提出了一种基于场路耦合的电热联合仿真方法。

图1  待测IGBT模块的封装结构

图2  场路耦合电热模型仿真原理

针对大功率IGBT应用于非周期过载极端工况下的建模、仿真以及可靠性分析等问题，研究人员分别在Simulink与COMSOL中构建了基于IGBT物理模型的电路模型与基于有限元的热场模型。以短路工况为例，通过场路耦合的电热联合仿真研究了ABB 3.3kV/1 500A大功率IGBT模块的电热特性，仿真与实验结果证明了建模方法的正确性。

图3  Simulink-COMSOL电热联合仿真计算过程

所提出的场路耦合仿真方法综合考虑了芯片、键丝等多热源的影响，具有计算精度高、仿真速度快的优点，能够较好地反映极端工况下芯片自热效应对IGBT模块电热特性的影响。

未来研究人员将所建立的电热模型进一步扩展为电-热-力多场耦合模型，进而对多场耦合效应下的IGBT电-热-力特性分析、封装失效机理以及特性演变规律等问题开展研究。此外，IGBT模块的动态不均流现象是客观存在的，这会进一步凸显器件失效的“短板效应”。本次研究着重阐述了场路耦合仿真方法，因此并未对此问题开展进一步研究。通过本次研究的仿真方法，可进一步对考虑动态不均流条件下的可靠性进行分析，这也是后续需要解决的问题之一。

以上研究成果发表在2020年第9期《电工技术学报》，论文标题为“基于场路耦合的大功率IGBT多速率电热联合仿真方法”，作者为贾英杰、肖飞、罗毅飞、刘宾礼、黄永乐。

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