1. 研究目的及意义

1.1 研究目的

逆变器作为光伏阵列和电网接口的主要设备，它的性能决定着整个光伏发电系统的性能。为了将光伏阵列产生的电能最大限度地馈入电网，并提高其运行的稳定度、可靠性和精确度，必须对并网逆变器的主电路拓扑选择及其他功能模块进行研究。

随着电力电子功率器件向高功率密度方向的发展,元件单位体积内的热量也相应增加。在大功率高频通信电源等设备中功率开关器件的电能损耗尤其突出 , 这部分消耗功率会转变为热量使功率器件管芯发热、结温升高 , 如果不能及时、有效地将此热量释放 , 就会影响到器件的工作性能 , 从而降低系统工作的可靠性 , 甚至损坏器件。因此热设计已成为电力电子产品设计的关键一环。热设计的效果也直接关系到电力电子设备能否长期正常、稳定地工作。
在尽量通过优化设计等方式来减少功率开关发热量的同时,一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理 , 将器件产生的热量快速释放到周围环境中去 , 以减少内部热累积 , 使元件工作温度降低。进行功率器件的选型及功率模块散热计算的目的 , 就是在确定的散热条件下选择合适的散热器 , 以保证器件或模块安全、可靠地工作。

电力电子产品的电应力分析和热应力分析是可靠性分析的重要内容， 也是降额设计的基础。

但由于电力电子产品的电应力和热应力是动态耦合在一起的， 传统的电路仿真缺乏耦合分析方法。 我们需要结合电力电子产品的特点， 提出了一种电热耦合应力的仿真分析方法， 这样可以大大提高电力电子产品应力分析的准确性和效率。

1.2研究意义

准确、高效的仿真模型是完成虚拟仿真、实现精确设计、指导实际应用等功能的重要基础。在电力电子电能变换领域、不同设计阶段和应用背景下，对仿真模型的特性、精度和仿真速度有着不同要求。因此，根据需求提供满足一定要求的仿真模型是建模工作的关键。

提出一种基于器件到系统的等级与传热网络结构本身的多时间尺度特征建立绝缘栅双极型晶闸管（IGBT）传热模型的建模方法。基于热传导理论和经典 Cauer 传热 RC 网络结构，建立 IGBT 传热网络结构模型，查明单层与多层热网络结构的结温运行规律以及简化标准与方法。在此基础上，以器件到系统对 IGBT 传热模型的不同需求为主线，以器件封装结构各层时间常数的不同时间尺度为切入点，建立适用于器件级到系统级热仿真的 IGBT 传热模型。仿真与实验结果能验证了模型的正确性与高效性。所建立的 IGBT 传热模型对于查明 IGBT 器件的传热网络结构特征与结温运行规律，实现电力电子器件到系统的独立与联合仿真具有一定的理论意义和应用价值。

1.3国内外研究现状

由于IGBT模块的电学特性与热学特性存在着较强的耦合关系，因此，作为能够真实反映IGBT 模块工作特性的动态电热耦合仿真成为了国内外学者研究的热点［1］．IGBT模块的动态电热耦合仿真运用到了损耗模型、传热模型和电网络模型．其中，损耗模型是模块电学特性与热学特性联接的枢纽，故该模型的准确建立是IGBT模块动态电热耦合仿真首先需要解决的关键问题［2］.IGBT的损耗模 型可以 划分为物理 模 型和行为模型两大类．其中，物理模型建模过程较为复杂、参数提取比较困难，且系统级仿真时间冗长，导致其在IGBT模块动态电热偶合仿真中的应用受到了一定限制［3］.行为模型可以划分为基于曲线拟合理论的损耗模型和基于数学方法的损耗模型．

2. 研究的基本内容与方案

2.研究目标

2.1 器件选型及分析

IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，是由BJT(双极型 三极管)和MOS( 绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；

IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT，其符号为N-IGBT。