高功率应用中IGBT开关电路的突发脉冲磁场干扰效应研究
高功率应用中IGBT开关电路的突发脉冲磁场干扰效应研究 绝缘栅双极晶体管(IGBT)通常在复杂的电磁环境中运行,然而,关于磁场干扰(MFI)对其性能和可靠性的影响的研究较少,尤其是在高功率应用中。本文提出了一种结合计算磁学方法和电路建模技术的混合方法,用于研究突发脉冲磁场对IGBT模块的干扰效应。首先,通过等效电路模型表示IGBT模块,随后针对其易受干扰的区域进行磁场仿真。仿真不同时间步长的磁场分布、涡流分布、磁通密度以及IGBT模块中的温升。此外,通过实验验证了仿真和建模分析的准确性。相信这项研究将有助于理解IGBT模块中的磁场干扰机制,特别是在高功率应用中提升其可靠性和性能。 绝缘栅双极晶体管(IGBT)在功率转换应用中扮演着关键角色,例如新能源汽车、储能系统和工业设备。然而,IGBT在功率转换系统中也容易受到电磁干扰的影响,约占报告故障的38%。鉴于复杂的操作条件,IGBT在复杂的电磁环境中容易受到电场和磁场的干扰。这些干扰可能导致设备故障或降低功率转换系统的输出功率质量。因此,必须对IGBT性能或可靠性退化的干扰效应进行深入研究。 为了全面分析IGBT的开关瞬态过程以及MFI对其输出电流的影响,我们采用了图1所示的等效电路。该电路考虑了器件的固有参数以及影响IGBT开关特性的外部电路参数。具体来说,Ug表示栅极电压,Rg_on表示栅极驱动电阻,Rg_in表示内部栅极等效电阻。此外,Lg、Lc和Le分别对应于栅极电感、集电极电感和发射极电感,它们包括外部电路和器件封装引入的电感。值得注意的是,Le对栅极-发射极电压uge具有反馈效应,从而显著影响IGBT的开关特性。Lc由两部分组成:器件和电路板布线引入的集电极电感,以及由于母线路径引起的电感。 IGBT的开关行为受到栅极-发射极电容Cge、栅极-集电极电容Cgc和集电极-发射极电容Cce的充放电动态影响。此外,Re表示电路的寄生电阻。我们使用等效电容模型来简化其非线性开关过程的描述。该综合模型有助于定性分析MFI对IGBT性能的影响。IGBT中的MFI主要归因于寄生电感。在这里,我们考虑了IGBT电流在上升和下降两个不同阶段的演变。 A.仿真结构 根据法拉第电磁感应定律,环路导体对时域磁场的变化非常敏感,容易产生瞬态感应电动势。如果感应电动势的强度足够高或包含电路敏感的频率(如谐振频率),这些瞬态可能会引起一定的干扰。上述分析表明,当IGBT受到MFI影响时,输出波形受到两个电感Lc和Le的显著影响。为了进一步研究这种效应,我们进行了磁场仿真以进行验证。 SEO 输入焦点关关键词短语以计算SEO得分 在仿真中,我们选择了IGBT模块模型GCP300GT120HBA2N作为示例。其结构如图2所示,相应的材料如表I所示。表II给出了干扰线圈的仿真参数。我们仿真主要关注的是检查IGBT模块中不同时间步长的磁场分布、涡流分布和磁通密度。 B.求解器精度的验证 为了验证我们开发的算法在时域有限元方法中的准确性,我们对Team Workshop问题7进行了建模和分析。计算模型由一个带单孔的非对称导体和一个激励线圈组成,如图3所示。这里,μ = 4π × 10^-7 H/m,即空气的磁导率,σ = 3.625 × 10^7 S/m,对应铝的电导率。 在验证时域有限元方法用于磁场计算的准确性测试中,应用了频率为50 Hz和200 Hz的正弦波输入,步长分别为其周期的1/40。问题7经过50次迭代后得到的结果如图4所示。与实际测量结果的比较表明,在不同频率下,计算结果与测量值之间具有很强的一致性。 C.仿真MFI结果 在仿真过程中,干扰线圈的电感L设置为3 μH,电阻R设置为50…