有限元仿真普遍通過求解電流守恒方程來實現(xiàn)對電流場的計算,計算方法上符合歐姆定律,即電流與電壓呈正比關(guān)系。IGBT的電氣特性本質(zhì)上區(qū)別于純導體,芯片的電導率也不等同于芯片材料的電導率,因此無法直接應(yīng)用于有限元仿真。針對這一問題,該文首先通過最小二乘法對IGBT的V-I特性曲線進行了分段線性化處理,并通過函數(shù)轉(zhuǎn)換構(gòu)建了一種在計算方法上符合歐姆定律的IGBT等效電阻模型。然后進一步將IGBT芯片的等效電阻轉(zhuǎn)換為等效電導率,構(gòu)建了基于有限元的IGBT電熱耦合模型。最后通過短時變電流的單脈沖測試對所建立的模型進行了驗證。實驗結(jié)果表明:所提出的建模方法可以在滿足歐姆定律基本算法的基礎(chǔ)上,對電流連續(xù)變化工況下的IGBT電熱特性進行準確表征。 

【文章來源】：電工技術(shù)學報. 2020,35(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

Rchip＿equ與Tj、ICE的相互關(guān)系

本文所研究的斯達某型1 200V/50A模塊為典型的焊接式封裝結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。該模塊為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩支IGBT芯片和兩支二極管芯片。模塊在縱向上有7層結(jié)構(gòu)組成，分別為芯片層、芯片焊料層、上銅層、陶瓷層、下銅層、襯底焊料層以及基板。其中芯片層上表面鍍有鋁金屬薄層；上下銅層通過“直接鍵合”覆蓋在陶瓷層表面；鍵絲通過超聲波焊接與芯片層及上銅層相連。該型模塊的主要性能參數(shù)見表1。2.2 電熱耦合模型

IGBT在導通電流時會產(chǎn)生功率損耗，在焦耳熱作用下模塊的溫度會升高，整體上表現(xiàn)為橫向及縱向上的溫度分布不均衡[15]。材料特性（如熱導率、熱容等）受溫度影響較大，從而會影響溫度場的計算。與此同時，用不斷更新的溫度重新計算芯片的等效電導率，進而得到實時變化的損耗參數(shù)，應(yīng)用FEM對IGBT的電熱耦合效應(yīng)進行求解的基本原理如圖5所示。由此可見，IGBT的電氣特性與溫度有很強的依賴關(guān)系，因此只有同時求解傳熱問題和電問題才能精確求解溫度分布與電流分布。將式（7）得到的IGBT芯片等效電阻代入式（8），可得到FEM仿真所需的IGBT芯片等效電導率σ。在FEM仿真中，首先通過給定的初始條件對電流場進行求解，得到IGBT的功率損耗Qj，如式（9）所示[7]。在考慮內(nèi)熱源的影響時，可進一步通過式（10）所示的偏微分方程求解溫度分布問題[16]。


本文編號：3318601