IGBT電力電子系統(tǒng)小時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)性能分析與計(jì)算的電磁場(chǎng)-電路耦合模型

馬瑜涵 陳佳佳 胡斯登 楊仕友

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

IGBT電力電子系統(tǒng)小時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)性能分析與計(jì)算的電磁場(chǎng)-電路耦合模型

馬瑜涵 陳佳佳 胡斯登 楊仕友

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

為了解決現(xiàn)有模型不完全適用于小時(shí)間尺度電力電子系統(tǒng)瞬態(tài)性能分析與計(jì)算的不足，建立用于IGBT電力電子系統(tǒng)小時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算的三維電磁場(chǎng)-電路耦合計(jì)算模型，并提出其求解的迭代計(jì)算方法。為精確描述小時(shí)間尺度下IGBT內(nèi)部瞬態(tài)電磁場(chǎng)及其分布規(guī)律，建立的IGBT本體三維有限元模型考慮位移電流、趨膚效應(yīng)和引線鄰近效應(yīng)等復(fù)雜因素的影響；為考慮極小時(shí)間尺度下線路中雜散參數(shù)的電磁效應(yīng)，高階雜散參數(shù)電路模型采用多段等效電路模擬雜散參數(shù)的影響，同時(shí)采用諧態(tài)電磁場(chǎng)數(shù)值分析計(jì)算方法提取模型參數(shù)以考慮趨膚效應(yīng)等的影響?；贗GBT內(nèi)部電磁暫態(tài)過(guò)程的分析，提出一種改進(jìn)的IGBT電路模型；為兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的要求，提出等效高階電路模型的一種降階方法。仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明了所建模型及求解方法的有效性和正確性。

絕緣柵雙極型晶體管 雜散參數(shù) 有限元方法 降階技術(shù) 位移電流

Keywords：Insulated gate bipolar transistor (IGBT), stray parameters, finite element model, orderreduction, displacement current

0 引言

絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）構(gòu)成的復(fù)合全控型功率半導(dǎo)體器件，兼具兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，即柵極驅(qū)動(dòng)電壓低、工作頻率高、輸出電流大和通態(tài)電阻小等。因此，IGBT目前已經(jīng)成為現(xiàn)代電能變換裝置的核心功率器件[1,2]。

隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步和電力電子器件的快速發(fā)展，IGBT正向著高開(kāi)關(guān)頻率、大功率密度方向邁進(jìn)。而IGBT 開(kāi)關(guān)頻率的急劇增加將導(dǎo)致其輸出電流變化率非常大，其動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間尺度從ms級(jí)上升到μs級(jí)直至ns級(jí)，使得此時(shí)瞬態(tài)電磁過(guò)程具有小時(shí)間尺度的特征。由此引發(fā)多重的復(fù)雜電磁效應(yīng)。首先，系統(tǒng)中的雜散參數(shù)，不僅可能引起電壓電流的過(guò)沖和振蕩，還會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，甚至損壞器件[3,4]。其次，小時(shí)間尺度劇烈變化交變電磁場(chǎng)的趨膚效應(yīng)將非常明顯，由此引發(fā)局部電磁場(chǎng)量過(guò)高，進(jìn)而引發(fā)局部電磁/熱應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題。因此，現(xiàn)有的集中參數(shù)電路與電磁場(chǎng)模型將不完全適用小時(shí)間尺度下電力電子系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程的分析與計(jì)算。有限元全波分析、計(jì)算方法進(jìn)而成為綜合考慮上述各種效應(yīng)的電力電子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的首選方法。然而，由于現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)一般由包含眾多電力電子器件、開(kāi)關(guān)、引線（導(dǎo)電排）等構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，采用電磁場(chǎng)全波計(jì)算方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析與計(jì)算將遇到計(jì)算資源巨大這一難以逾越的瓶頸問(wèn)題[5-7]。

有鑒于此，本文建立了IGBT電力電子系統(tǒng)小時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)特性分析、計(jì)算的三維電磁場(chǎng)-電路耦合計(jì)算模型，并提出了其求解的迭代計(jì)算方法；通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究證明了理論工作的有效性和優(yōu)越性。

1 IGBT電力電子系統(tǒng)高階等效電路模型

1.1 考慮雜散參數(shù)的高階電路模型

如前所述，小時(shí)間尺度下雜散參數(shù)的影響將不可忽略。在電力電子功率模塊中，其主要的雜散參數(shù)為系統(tǒng)（包括母線和IGBT模塊）的雜散電感和電容[8,9]。由于電力電子系統(tǒng)小時(shí)間尺度下電磁過(guò)程覆蓋的頻率范圍高達(dá)108Hz，即使是對(duì)簡(jiǎn)單的引線部分，如果采用單段集中參數(shù)模型，也不能精確地模擬系統(tǒng)的高頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，為了更好地模擬小時(shí)間尺度下的電磁瞬態(tài)過(guò)程，本文的高階電路模型采用多段而不是單段集中的雜散參數(shù)模型。如對(duì)圖1所示的典型的母線（排）結(jié)構(gòu)，本文建立的多段分布參數(shù)模型如圖2所示。

圖1 典型IGBT系統(tǒng)的母線結(jié)構(gòu)Fig.1 The bus bar of a prototype IGBT

圖2 典型母線結(jié)構(gòu)下的多段分布參數(shù)電路模型Fig.2 The multi-sectional stray parameter circuit for the prototype IGBT bus bar of Fig.1

為考慮趨膚效應(yīng)等對(duì)雜散參數(shù)的影響，本文通過(guò)求解諧態(tài)電磁場(chǎng)進(jìn)而計(jì)算雜散電感和雜散電容。其一般計(jì)算式為

式中，X為感抗、容抗；?S為復(fù)坡印廷矢量；*˙H表示˙H的共軛。

一旦確定了系統(tǒng)中每一部分的高階分布電路參數(shù)模型，整個(gè)IGBT電力電子系統(tǒng)的高階等效電路模型即可迎刃而解。

1.2 IGBT的改進(jìn)模型

現(xiàn)有IGBT模型一般分為解析模型、半數(shù)值模型、半數(shù)學(xué)模型和行為模型。其中行為模型由于不能精確模擬器件內(nèi)部的電磁過(guò)渡過(guò)程而不適用于IGBT暫態(tài)特性的精確分析。解析模型和半數(shù)值模型基于半導(dǎo)體物理方程，可以準(zhǔn)確地描述IGBT行為，但是以犧牲計(jì)算速率和計(jì)算效率為代價(jià)，同時(shí)必須對(duì)IGBT內(nèi)部復(fù)雜電磁過(guò)程進(jìn)行某種程度的簡(jiǎn)化。而半數(shù)學(xué)模型則利用現(xiàn)有的MOSFET和BJT器件模型，并結(jié)合IGBT的特殊效應(yīng)，如基區(qū)調(diào)制電阻，極間非線性電容等，構(gòu)造其模型。盡管在準(zhǔn)確度上不如數(shù)學(xué)模型，但其計(jì)算速度和計(jì)算效率有了很大的提高[10,11]。

為此，本文在現(xiàn)有IGBT理想模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入非線性極間電容以模擬其開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中電容的非線性變化規(guī)律，基區(qū)非線性調(diào)制電阻以模擬其開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中由于載流子濃度的變化導(dǎo)致的導(dǎo)電溝道電阻率的非線性變化規(guī)律。此外，增加門(mén)級(jí)電感以精確模擬小時(shí)間尺度下門(mén)極引線的雜散效應(yīng)[12-14]。在此基礎(chǔ)上提出了圖3所示的IGBT改進(jìn)電路模型。

圖3 本文IGBT的改進(jìn)模型Fig.3 An improved IGBT model

1.3 高階電路模型降階技術(shù)

本文的多段雜散電路模型，每一子電路的分布電路模型由大量的雜散參數(shù)組成。顯然，對(duì)于復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)，整個(gè)電路模型的階數(shù)非常高。盡管隨著電路模型階數(shù)的增加，模型精度隨之提高，但計(jì)算難度及耗時(shí)也將明顯增加。因此，需要探索模型降階技術(shù)。為解決這一難題，以本文第3節(jié)的模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。該模型系統(tǒng)的高階主電路如圖4所示，其對(duì)應(yīng)的17階傳遞函數(shù)為

圖4 模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高階主電路模型Fig.4 The high-order main circuit model of the prototype system

其中

為在保證計(jì)算精度不變的條件下降低等效電路模型階數(shù)，提出了一種簡(jiǎn)單而有效的降階方法。首先計(jì)算傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)分布以及伯德圖。然后對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到圖5所示的頻譜能量分布。

圖5 頻譜能量分布Fig.5 The energy on frequency distribution

由圖5可知，瞬態(tài)電磁過(guò)程覆蓋的頻率范圍是0～108Hz的頻率范圍。因此保留這個(gè)頻段內(nèi)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)，消除高頻零極點(diǎn)，得到降階后的傳遞函數(shù)的一般形式為

式中，c1～c6、d1～d7分別為降階函數(shù)的零極點(diǎn)（保留的零、極點(diǎn)）；k為待定的常數(shù)，以保證傳遞函數(shù)G1和G2的幅頻、相頻特性相近。

為實(shí)現(xiàn)降階的傳遞函數(shù)，可改變每段子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如分段數(shù)以及分段位置，進(jìn)而獲得不同的等效電路拓?fù)?。這一過(guò)程用的數(shù)學(xué)模型是有約束的組合優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于該問(wèn)題的求解，可應(yīng)用智能計(jì)算方法，如模擬退火或基因算法。本文采用遍歷方法，通過(guò)對(duì)比分析不同電路拓?fù)涞姆l特性，確定與降階模型式（4）最為接近的電路拓?fù)?，得到降階的電路拓?fù)淠Ｐ停鐖D6所示。

圖6 降階電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 The reduced-order circuit

降階前、后等效電路的伯德圖如圖7所示。顯然，降階前后等效電路模型的伯德圖非常接近。

圖7 降階前、后以及實(shí)際電路的伯德圖Fig.7 The Bode diagram of the high-order circuit and the reduced-order circuit

2 IGBT本體三維有限元模型

2.1 IGBT本體模型

為精確描述小時(shí)間尺度下IGBT本體內(nèi)的瞬態(tài)電磁過(guò)程，本文建立了IGBT本體瞬態(tài)電磁場(chǎng)的三維有限元模型。

以N溝道PT型IGBT（見(jiàn)圖8）導(dǎo)通為例，其導(dǎo)通機(jī)理為：當(dāng)uce＞0、uge＞UT（柵閥電壓）時(shí)，柵極下面P+溝道體區(qū)表面反型并形成導(dǎo)電溝道，IGBT進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，電子由N+源區(qū)（發(fā)射極）經(jīng)溝道進(jìn)入漂移區(qū)，同時(shí)，由于J1結(jié)處正偏，P+襯底向漂移區(qū)注入空穴，當(dāng)柵極電壓升高時(shí)，空穴密度也相應(yīng)升高。故在有源區(qū)（放大區(qū)）中，ic值由柵壓Uge值決定，而與Uce無(wú)關(guān)[15]。相反，當(dāng)柵極電壓重新降到低于UT，柵極下P+區(qū)表面的反型狀態(tài)消失，其導(dǎo)電溝道不復(fù)存在，器件由導(dǎo)通變?yōu)樽钄?。因此，在IGBT元胞內(nèi)電流主要在導(dǎo)電溝道內(nèi)流通，沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道的地方幾乎沒(méi)有電流且關(guān)斷過(guò)程可等效視為溝道電阻逐漸增大、流經(jīng)溝道電流逐漸減小的過(guò)程。因此，在三維電磁場(chǎng)模型中本文采用電流激勵(lì)源，電流源的大小由電磁場(chǎng)-電路模型通過(guò)迭代求解確定（詳見(jiàn)2.2節(jié)）。

圖8 PT型IGBT示意圖Fig.8 Schematic Schematic diagram of a PT type IGBT

由于來(lái)自P+區(qū)的部分空穴與來(lái)自溝道的電子復(fù)合，另外部分被處于反偏的J2結(jié)收集到溝道體區(qū)，這些載流子將顯著調(diào)制N-漂移區(qū)的電導(dǎo)率，因而降低了器件的導(dǎo)通電阻，從而提高了器件的電流密度。因此，在IGBT元胞內(nèi)電流主要在導(dǎo)電溝道內(nèi)流通，沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道的地方幾乎沒(méi)有電流。為此，本文把每一個(gè)元胞內(nèi)的導(dǎo)電溝道簡(jiǎn)化成一個(gè)長(zhǎng)方體單元[15-17]。由于一個(gè)普通的IGBT有約幾千到幾萬(wàn)個(gè)元胞，均勻地分布于IGBT的有源區(qū)。以本文第3節(jié)的模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的BUP305 IGBT為例，其硅層的橫截面積為8×10-4m2。以最少1 000個(gè)元胞計(jì)算，則每個(gè)元胞的橫截面積為8×10-7m2，其幾何最大尺寸不大于0.9mm，即使按銅的磁導(dǎo)率計(jì)算，在108Hz頻率下的透入深度達(dá)6.7mm，遠(yuǎn)大于每個(gè)元胞的幾何尺寸。所以就每個(gè)元胞而言，不需考慮其趨膚效應(yīng)。但在實(shí)際建模時(shí)，如果每一個(gè)溝道都獨(dú)立建模，整個(gè)模塊的計(jì)算模型將非常復(fù)雜，不僅導(dǎo)致龐大的有限元計(jì)算模型，同時(shí)還有可能由于溝道尺寸過(guò)小而導(dǎo)致網(wǎng)格剖分畸變，進(jìn)而導(dǎo)致求解失敗等數(shù)值糾結(jié)問(wèn)題。為此，本文把總的導(dǎo)電溝道簡(jiǎn)化成4×4的溝道均勻分布于IGBT內(nèi)部。這樣處理后，由于等效溝道的幾何尺寸與時(shí)變電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)可能在同一數(shù)量級(jí)，進(jìn)而導(dǎo)致溝道電流出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，與實(shí)際分布不符。本文通過(guò)調(diào)整溝道的電導(dǎo)率的值消除其等效后的趨膚效應(yīng)。前已述及，小時(shí)間尺度下IGBT電力電子系統(tǒng)（包括IGBT模塊本身）中的位移電流將嚴(yán)重影響系統(tǒng)瞬態(tài)電磁響應(yīng)和局部電磁應(yīng)力。而同時(shí)兼顧位移電流和傳導(dǎo)電流的電磁場(chǎng)分析和計(jì)算理論與方法則是計(jì)算電磁學(xué)一直未能有效解決的瓶頸之一。因此，在目前所有低頻電磁場(chǎng)數(shù)值分析與計(jì)算成果中，幾乎無(wú)一例外地忽略了位移電流的影響。為解決這一難題，本文提出了一種簡(jiǎn)便、有效的建模處理方法，即對(duì)于小時(shí)間尺度IGBT中的位移電流，根據(jù)其流通路徑，采用在相應(yīng)介質(zhì)內(nèi)構(gòu)造一個(gè)等效電流溝道，在有限元模型中首次考慮了位移電流的影響。此時(shí)的電磁場(chǎng)控制方程為

式中，CJ和DJ分別為傳導(dǎo)和位移電流密度；A和V分別為動(dòng)態(tài)矢量磁位和動(dòng)態(tài)標(biāo)量電位；ν 為時(shí)變點(diǎn)電荷的傳播速度；σ 為導(dǎo)體表面的電荷面密度。

綜合考慮IGBT器件物理結(jié)構(gòu)和上述的處理方法，最終建立了圖9所示的IGBT本體瞬態(tài)電磁場(chǎng)的計(jì)算模型。

2.2 三維瞬態(tài)有限元-電路模型的求解

圖9 IGBT三維有限元模型Fig.9 3D finite element model of IGBT

為求解前述的三維瞬態(tài)有限元-電路耦合模型，提出了一種簡(jiǎn)單而有效的求解方法。其每一時(shí)步的計(jì)算過(guò)程如下：①首先，求解整個(gè)電力電子系統(tǒng)的高階等效電路模型，得到整個(gè)電力電子系統(tǒng)的瞬態(tài)電磁響應(yīng)；②然后，以計(jì)算的IGBT本體的全電流（位移和傳導(dǎo)電流）作為電流激勵(lì)源施加到IGBT本體三維有限元模型，計(jì)算IGBT本體內(nèi)的三維電磁場(chǎng)分布；③根據(jù)此時(shí)步的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，修正IGBT模型參數(shù)，然后轉(zhuǎn)①，直至兩次計(jì)算結(jié)果誤差滿(mǎn)足給定的誤差要求為止。

3 計(jì)算實(shí)例與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文模型的有效性和正確性，基于Ansys有限元商用軟件和Matlab/Simulink，本文計(jì)算了典型IGBT模型系統(tǒng)開(kāi)通、關(guān)斷的瞬態(tài)電磁過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和基于Matlab中IGBT理想模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。典型模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電路如圖10所示，IGBT的型號(hào)為BUP305，其母線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖10 模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 The experimental prototype

圖11給出了改進(jìn)的IGBT模型與Matlab原有理想模型動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比結(jié)果。

由圖11的計(jì)算比較結(jié)果可知，本文改進(jìn)的IGBT模型相較于原有的IGBT模型，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，尤其是開(kāi)通、關(guān)斷的瞬態(tài)過(guò)程中的計(jì)算結(jié)果。

圖12給出了IGBT開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程考慮與不考慮雜散參數(shù)動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比結(jié)果。

為進(jìn)一步定量比較不同模型與算法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的偏差，首先定義參數(shù)f計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差為

圖11 原有IGBT模型和改進(jìn)IGBT模型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果Fig.11 Tested and numerical results of the original IGBT model and improved IGBT model

圖12 不考慮分布參數(shù)IGBT模型和考慮分布參數(shù)IGBT模型的測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果Fig.12 Tested and numerical results of the IGBT model without distributed parameters and the IGBT model with distributed parameters

表1和表2分別給出了不同模型計(jì)算的電流和電壓誤差的具體分布情況。

表1 不同模型和工況下Ic的誤差Tab.1 The errors of Icin different model and cases (%)

表2 不同模型和工況下Vce的誤差Tab.2 The errors of Vcein different model and cases (%)

由這些計(jì)算、比較結(jié)果可見(jiàn)，考慮雜散參數(shù)分布特性的計(jì)算模型獲得的計(jì)算結(jié)果比不考慮雜散參數(shù)分布特性的模型的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。同時(shí)證明了在IGBT開(kāi)通和關(guān)斷的瞬態(tài)過(guò)程中，由于頻率非常高，雜散參數(shù)影響將不可忽略。

為比較本文有限元模型與以往有限元模型（未考慮位移電流和溝道電流的不均勻性）的計(jì)算結(jié)果，圖13～圖17給出了不同工況下的有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖13 IGBT本體位移電流和傳導(dǎo)電流仿真結(jié)果Fig.13 The numerical results of displacement current and conduction current in IGBT

圖14 IGBT模塊的瞬態(tài)電流分布Fig.14 The transient current distribution of the IGBT module

圖15 某一時(shí)刻溝道內(nèi)的瞬態(tài)電流分布Fig.15 The transient current distribution in the channels

圖16 溝道1、2、7的瞬態(tài)電流Fig.16 The transient currents of the channels 1, 2, 7

圖13給出了開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中IGBT本體傳導(dǎo)電流和位移電流的變化規(guī)律。

IGBT本體內(nèi)的電流分布則通過(guò)有限元模型計(jì)算，如圖14所示。溝道電流分布如圖15所示。在IGBT開(kāi)通和關(guān)斷的瞬態(tài)過(guò)程中，由于頻率非常高，連接不同溝道的鋁層存在趨膚效應(yīng)，以及引線與溝道的臨近效應(yīng)，使得不同溝道的電流不同。而同一溝道的電流則均勻分布。這這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證明了本文模型的準(zhǔn)確性。

圖17 考慮雜散參數(shù)的IGBT瞬態(tài)磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度Fig.17 The magnetic field strength with time considering the stray parameters

由于溝道電流分布具有一定的對(duì)稱(chēng)性，因此選取溝道1、2、7為研究對(duì)象，其瞬態(tài)電流的變換規(guī)律如圖16所示。

由圖16可見(jiàn)，在IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，流過(guò)各個(gè)溝道的電流并不完全不同。中間溝道中流過(guò)的電流比較大。換言之，由于鋁層的趨膚效應(yīng)和臨近引線效應(yīng)等的影響，IGBT內(nèi)部的電流分布并不均勻。

此外，圖17給出了IGBT某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的瞬態(tài)變化過(guò)程。顯然，位移電流對(duì)IGBT內(nèi)部的電磁響應(yīng)影響很大。因此，現(xiàn)有模型中忽略位移電流的影響將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的嚴(yán)重誤差。

4 結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，IGBT等功率電子器件的開(kāi)關(guān)頻率大幅提高，其電磁過(guò)程具有典型的小時(shí)間尺度特征。在此時(shí)間尺度下，電路的雜散參數(shù)和趨膚效應(yīng)等的影響將不可忽略。為此，本文提出了一種基于雜散參數(shù)分布電路-三維動(dòng)態(tài)電磁場(chǎng)的耦合模型和計(jì)算方法以適合IGBT電力電子系統(tǒng)小時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)特性的精確模擬。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的計(jì)算模型和計(jì)算方法較好地解決了小時(shí)間尺度下IGBT電力電子系統(tǒng)雜散參數(shù)和趨膚效應(yīng)等的影響問(wèn)題。此外，本文提出的IGBT本體三維瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算模型能夠精確模擬不同溝道電流分布不均勻問(wèn)題，因此能夠比較準(zhǔn)確地研究IGBT內(nèi)部的局部電磁應(yīng)力集中問(wèn)題，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯 郭麗軍）

A Coupled 3D Finite Element-Circuit Model for the Numerical Analysis of Small Time Scale Transients of an Insulated Gate Bipolar Transistor Power Electronics Device

Ma Yuhan Chen Jiajia Hu Sideng Yang Shiyou
（College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China）

To consider the effect of the displacement current and the skin effect of the electromagnetic phenomenon as well the stray parameters in a small time scale electromagnetic transient, which are not properly muddled in the existing model, a coupled 3D finite element-circuit model of an IGBT based power electronics device for its transient performance computation in small and extreme small time scales is developed and an iterative solution methodology is proposed. In order to describe the skin effect and displacement current, a three-dimensional (3D) finite element model of IGBT is developed; In order to model the influence of stray parameters, a high-order distributed circuit model of the whole power electronics system is proposed, and the numerical method for stray parameters computation is included. From the analysis of the internal electromagnetic transient process of an IGBT, an improved IGBT circuit model is proposed. In order to balance the accuracy and the computational cost of the high order circuit model of a complete power electronics system, a reduction method is proposed. The comparisons between the simulated and tested results evidence the feasibilities and merits of the proposed work.

TM464

馬瑜涵 女，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析等。

E-mail： 442807945@qq.com（通信作者）

陳佳佳 女，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)分析與綜合等。

E-mail： 21410054@zju.edu.cn

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170594

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51490682）。

2017-05-08 改稿日期 2017-05-28