有限元仿真普遍通過求解電流守恒方程來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流場(chǎng)的計(jì)算,計(jì)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(dǎo)體,芯片的電導(dǎo)率也不等同于芯片材料的電導(dǎo)率,因此無法直接應(yīng)用于有限元仿真。針對(duì)這一問題,該文首先通過最小二乘法對(duì)IGBT的V-I特性曲線進(jìn)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(jì)算方法上符合歐姆定律的IGBT等效電阻模型。然后進(jìn)一步將IGBT芯片的等效電阻轉(zhuǎn)換為等效電導(dǎo)率,構(gòu)建了基于有限元的IGBT電熱耦合模型。最后通過短時(shí)變電流的單脈沖測(cè)試對(duì)所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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(duì)電流連續(xù)變化工況下的IGBT電熱特性進(jìn)行準(zhǔn)確表征。 

【文章來源】：電工技術(shù)學(xué)報(bào). 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(dá)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(dǎo)通電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率損耗，在焦耳熱作用下模塊的溫度會(huì)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(dǎo)率、熱容等）受溫度影響較大，從而會(huì)影響溫度場(chǎng)的計(jì)算。與此同時(shí)，用不斷更新的溫度重新計(jì)算芯片的等效電導(dǎo)率，進(jìn)而得到實(shí)時(shí)變化的損耗參數(shù)，應(yīng)用FEM對(duì)IGBT的電熱耦合效應(yīng)進(jìn)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(qiáng)的依賴關(guān)系，因此只有同時(shí)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(dǎo)率σ。在FEM仿真中，首先通過給定的初始條件對(duì)電流場(chǎng)進(jìn)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(shí)，可進(jìn)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(hào)：3318601