摘 要

逆变器作为光伏发电系统和电网侧连接的主要部件，逆变器工作的好坏决定着整个光伏发电系统的性能。而逆变器的工作性能取决于功率开关器件的可靠性，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率开关器件，目前广泛应用于电力拖动装置、太阳能发电、集成电子电路的功率转换器等领域中。在一些高频电路中，IGBT功率模块频繁的开通、关断，使得器件疲劳老化，器件使用寿命大大缩短。对于器件工作电压、电流、开关频率较高的场合，所引起的结温升高会加速器件的损坏程度。为此研究IGBT的结温与功率损耗之间的关系具有重要意义。

本文建立了一种绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块的电热模型。首先，研究了IGBT的内部结构、静态特性及其动态特性，分析了影响功率损耗的因素及其基本影响规律，得出了多变量损耗计算模型。然后建立了热网络Cauer模型，得出结温与功耗之间的时域关系。介绍了电热耦合仿真方法，搭建了用于电热仿真的单相桥式逆变电路以及采用SPWM控制方式，通过PLECS仿真软件实现电热仿真，得到功耗、结温、壳温曲线，并对其进行理论分析。最后探讨了一下改变直流侧电压和散热片热容与结温之间的关系及规律，为实现散热设计与可靠性分析奠定了基础。

关键词：电热耦合；Cauer模型；结温；功率损耗

Abstract

The inverter is the main component of the connection between the photovoltaic power generation system and the grid side. The performance of the inverter determines the performance of the entire photovoltaic power generation system. The working performance of the inverter depends on the reliability of power switching devices. Insulated gate bipolar transistors (IGBTs) are used as power switching devices and are widely used in power steering devices, solar power generation, and power converters for integrated electronic circuits. In the field. In some high-frequency circuits, the IGBT power module is frequently turned on and off, which makes the device fatigued and the service life of the device greatly shortened. For devices where the operating voltage, current, and switching frequency are high, the resulting increase in junction temperature will accelerate the damage of the device. Therefore, it is of great significance to study the relationship between junction temperature and power loss of IGBT.

This paper establishes an electrothermal model of an insulated gate bipolar transistor (IGBT) power module. First, the internal structure, static characteristics and dynamic characteristics of the IGBT are studied. The factors that affect the power loss and its basic influence laws are analyzed. The multi-variable loss calculation model is obtained. Then the Cauer model of the thermal network is established, and the time domain relationship between junction temperature and power consumption is obtained. The electro-thermal coupling simulation method was introduced. A single-phase bridge inverter circuit and SPWM control method for electro-thermal simulation were set up. The electro-thermal simulation was realized through the PLECS simulation software, and the power consumption, junction temperature and shell temperature curve were obtained and the theory was performed. analysis. Finally, the relationship between the voltage on the DC side and the heat capacity of the heat sink and the junction temperature is discussed, which lays a foundation for the design and reliability analysis of heat dissipation.

Key Words：Electrothermal coupling; Cauer model; junction temperature; power loss

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 国内外研究现状 1

1.3.1 损耗模型研究现状 2

1.3.2 电热模型及结温预测研究现状 2

1.3.3 RC传热网络研究现状 2

1.4 本文的主要任务 3

1.5 课题的可行性分析 3

第2章 原理分析与损耗模型建立 4

2.1 IGBT工作原理及特性 4

2.1.1 IGBT工作原理 4

2.1.2 IGBT静态特性 5

2.1.3 IGBT动态特性 7

2.2 基于IGBT模块的电热耦合流程 7

2.3 IGBT的功率损耗分析 8

2.3.1 IGBT导通损耗 9

2.3.2 IGBT开关损耗 11

2.3.3 二极管的导通损耗 11

2.3.4 二极管的关断损耗 12

2.4 传热模型和RC网络分析 12

2.4.1 Cauer模型 13

2.4.2 Foster模型 16

2.4.3 热阻抗分析 16

第3章 电热耦合仿真方法 19

3.1 电热耦合步骤 19

3.2 单相全桥逆变电路 21

3.3 SPWM控制基本原理 22

第4章 建模方法与仿真实现 25

4.1 建立电路模型 25

4.2 控制信号产生 25

4.3 LC滤波电路设计 27

4.4 热模型建立 27

4.4.1 PLECS热仿真条件 28

4.4.2 IGBT热模型建立 28

4.4.2.1 添加散热片 28

4.4.2.2 等效IGBT的热路模型与添加热描述文件 29

4.4.2.3 建立IGBT与外界环境的热通道 31

4.5 IGBT损耗模型建立 33

4.6 电热耦合仿真实现 33

4.6.1 单相桥式逆变电路仿真 33

4.6.2 功率损耗分析 37

4.6.3 IGBT结温与散热片壳温变化规律 38

4.6.4 仿真总结与改进 39

4.6.4.1直流侧电压与散热片热容改进 39

4.6.4.2仿真总结 40

第5章 总结与展望 41

5.1 课题总结 41

5.2 课题展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

课题背景

近些年来，随着电力电子器件的迅猛发展，1957年晶闸管的问世，使得电力半导体器件在强电领域迅速崛起，普通晶闸管因只能控制开通而不能控制关断，归类于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。上世纪70年代晶闸管推出各种系列产品，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型电力电子器件快速发展，21世纪电力电子器件逐渐向低功耗，小体积方向发展。

在大功率电力拖动等设备中，开关器件的功率损耗较为严重, 这部分产生的功率会使开关器件芯片发热、结温升高 , 长时间工作在高温环境下，会缩短器件使用寿命，增加设备工作的故障率 ,更有可能损坏器件。因此通过热仿真来探讨开关器件内部温度分布以及热传导过程是非常重要的，器件结温是研究开关器件工作可靠性的关键指标。我们在保证设备正常工作的同时，也要综合考虑发热对设备的影响。

研究目的

广泛应用于功率逆变器等大功率场合，具有kHZ级开关频率的IGBT产生不容忽略的功率损耗，导致结温的升高和波动。过高的会破坏器件，导致器件无法正常工作，因此，研究IGBT的温度特性和T_j的预测对提高其热设计的应用可靠性和合理性具有重要的现实意义^[17]。

由于温度的变化对半导体材料特性有着直接的影响，半导体器件工作特性会随着温度变化而变化。目前对于光伏并网运行的逆变器，大多采用IGBT作为开关器件，IGBT作为电能变换装置的主要器件，是失效率最高的环节，工作在导通状态和开关瞬态过程产生的通态损耗和开通、关断损耗比一般电力电子开关大得多，在一个开关周期内会产生较大的功率损耗，从而造成器件结温显著上升并且波动很大。温度的升高又会影响IGBT的工作特性，即电与热有很强的耦合关系^[7][19]。

为此我们在器件选型时，必须进行电热耦合仿真，从仿真结果中分析不同IGBT的电热模型特性，从中得到最优设计。

1.3 国内外研究现状

目前国内外对IGBT器件进行了丰富的研究，主要包括电热模型、结温预测、传热理论、电热仿真实例、功率损耗这些方面。

1.3.1 损耗模型研究现状

文献[14]提出的利用不同型号的开关器件数据手册中的电气特性曲线，通过线性拟合方法得到接近实际情况的损耗模型。然而，现有模型在开关、通态损耗建模中运用了多次线性近似处理，这对数据拟合需要有较强的功底。当考虑到器件或线路上的寄生参数时，模型建立也会更加复杂。文献[13]对IGBT开关暂态过程进行了研究分析，建立了相应的开关模型，在此基础上建立损耗模型。文献[3]通过实际建模，给出了通态、开关损耗的计算公式，利用RC等效热模型对其结温进行了估计，但公式中一些参数的测试值不易得到，且不同电路中，损耗计算也有所不同，精确度明显不能满足实际分析要求。

1.3.2 电热模型及结温预测研究现状

实际投入应用的IGBT器件是与其他电路模块集成在一起的，IGBT模块也是被封装的，若直接用仪表测量结温，则需要去掉封装，但这样容易损坏器并且所得到的测量值也不可避免跟实际值存在一定误差。因此直接测量结温不是很合理，我们可以应用传感器原理来间接获取温度，可以测量模块某些敏感元件的电气参数，通过物理特性来得到结温。^[5][11]

文献[11]提出了基于IGBT电热模型的结温预测方法，并对结温升高引起IGBT工作失效进行实验分析，这对于IGBT寿命评估有一定的参考意义。文献[22]提出了一种绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块的电热结温度（Tj）估算方法,这种Tj估计方法可以扩展到其他的电路条件，其他类型的电源设备和其他功率模块的制造商，这是更通用的同时有助于更加合理的散热设计和可靠性验证。

1.3.3 RC传热网络研究现状

RC传热网络有两种，一种是Cauer网络，另一种是Foster网络，后者不具有实际物理意义，但是数据手册中给的是Foster网络结构参数，这些参数是通过热阻抗曲线得到的。但是Foster网络不能反映IGBT模块封装各层的热阻与热容情况，而 Cauer网络结构与IGBT 模块封装各物理层存在一对一的关系，我们可以通过建立该模型来研究各物理层的热传导规律和温度分布情况，此外，两种热网络间可以相互转换，这就能够方便我们定义Cauer热网络参数。

文献[11]介绍了基于热传导理论和经典Cauer传热RC网络结构，建立了IGBT传热模型。所建立的 IGBT 传热模型将热网络中的热阻热容一一对应到IGBT各物理层，并且研究了热阻热容的影响因素，进一步细化了热网络结构，对开关器件应用于电热联合仿真有很大的指导作用，利用该模型可模拟电路中器件电压、电流波形，为热模型中的损耗研究奠定了基础。

文献[22]建立了Foster热模型来分析热传导形式，研究热量与热模型结构参数的对应关系.

1.4 本文的主要任务

本文对IGBT功率模块的结温特性开展研究，搭建电热仿真模型，测量结温。

1）首先确定IGBT作为逆变器的开关器件，了解其基本物理结构，分析其开关特性和特性曲线图。建立IGBT和二极管的功率损耗模型。

2）了解其封装结构和模块内部结构，建立热网络模型并对其分析。简要概述热阻、热容的含义。基于电热比拟原理，建立IGBT的热网络模型，并以此模型出发得到IGBT结温的计算方法。

3）在PLECS仿真软件中搭建实际的逆变电路，基于所选IGBT型号确定电路参数和损耗数值的大小，对所搭建的电路进行电热联合仿真，得到IGBT总损耗对结温变化影响的规律，反过来结温变化又如何影响电路参数。对仿真结果分析并得出结论。

1.5 课题的可行性分析

从题目来看，需要分别进行电和热的独立仿真，在icepak搭建热模型（基于IGBT的内部结构）和simplorer搭建电模型（基于单相逆变电路），最后确认搭建的模型无误后，建立起两个仿真软件的联合仿真平台，实现电热耦合仿真。从传热模块中传递的温度参数影响到实际逆变电路中IGBT器件的等效电阻，进而影响到其工作特性，最后会对整个逆变电路的工作产生影响。

在进行联合仿真时，当设置载波频率为20kHZ时，理论上输出为50HZ的交变电流，但实际仿真时间非常长，并且软件所需的电脑内存远远超过电脑原有，造成计算机无法完成仿真。当改变载波频率为850HZ时，经过四小时仿真，得到输出为5HZ的交流信号，这对于并网运行的逆变输出是不符合实际情况的。所以改用PLECS软件进行电热仿真。

在PLECS软件，元件库自带热网络器件，故只需要从IGBT的等效热网络模型中设置热阻、热容的数值就得到其热模型，同样在PLECS搭建单相逆变电路完成电模型。在仿真过程中，要学会参数设置以及调试波形，合理的参数数据往往能够简化很多繁琐的调试步骤。

第2章 原理分析与损耗模型建立

逆变器作为光伏发电系统和电网侧连接的主要部件，逆变器工作的好坏决定着整个光伏发电系统的性能。光伏板通过吸收光能，经过发电系统转化为电能，为了将得到的电能最大程度输送给电网，并提高整个系统运行的稳定性、可靠性及安全，我们需要对光伏并网逆变器进行分析设计与控制策略的研究。

2.1 IGBT工作原理及特性

IGBT是功率传输和电压电流变换的重要器件。它结合了MOSFET的开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好和GTR的低导通压降的优点。利用以上两者构成复合管，使得输入具有MOSFET管的特点，输出具有双极型晶体管特点，IGBT由电压控制开通和关断，控制功率小，双极性导电。因其具有良好的特性，成为了中、大功率电力电子设备的主导器件。

2.1.1 IGBT工作原理

IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图2.1给出了一种由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT基本结构，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IGBT，其符号为N-IGBT。由图可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构。

图2.1 内部结构断面示意图

图2.2 简化等效电路

图中R_N为晶体管基区内的调制电阻。IGBT是—种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压U_GE决定。当U_GE为正且大于开启电压U_GE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

2.1.2 IGBT静态特性

图2.3 IGBT输出特性曲线

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性、开关特性。

IGBT的伏安特性描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流与集电极电压之间的关系曲线。如图2.3所示，输出集电极电流受栅射电压的控制，越高，越大。此外当＜0时，IGBT工作在反向阻断状态。在集成电子电路中，只考虑IGBT的开关状态。
    IGBT的转移特性描述的是集电极电流与栅射电压之间的关系。它与MOSFET的转移特性类似，开启电压是IGBT实现电导调制而导通的最低栅射电压。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：