IGBT电力电子系统小时间尺度动态性能分析与计算的电磁场-电路耦合模型︱大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
浙江大学电气工程学院的研究人员马瑜涵、陈佳佳、胡斯登、杨仕友，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文，为了解决现有模型不完全适用于小时间尺度电力电子系统瞬态性能分析与计算的不足，建立用于IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性分析、计算的三维电磁场-电路耦合计算模型，并提出其求解的迭代计算方法。
为精确描述小时间尺度下IGBT内部瞬态电磁场及其分布规律，建立的IGBT本体三维有限元模型考虑位移电流、趋肤效应和引线邻近效应等复杂因素的影响；为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的电磁效应，高阶杂散参数电路模型采用多段等效电路模拟杂散参数的影响，同时采用谐态电磁场数值分析计算方法提取模型参数以考虑趋肤效应等的影响。
基于IGBT内部电磁暂态过程的分析，提出一种改进的IGBT电路模型；为兼顾计算精度和计算时间的要求，提出等效高阶电路模型的一种降阶方法。仿真计算和实验测试结果证明了所建模型及求解方法的有效性和正确性。
绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由双极型三极管（Bipolar JunctionTransistor, BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor, MOSFET）构成的复合全控型功率半导体器件，兼具两种器件的优点，即栅极驱动电压低、工作频率高、输出电流大和通态电阻小等。因此，IGBT目前已经成为现代电能变换装置的核心功率器件[1,2]。
随着电力电子技术的不断进步和电力电子器件的快速发展，IGBT正向着高开关频率、大功率密度方向迈进。而IGBT 开关频率的急剧增加将导致其输出电流变化率非常大，其动态过程的时间尺度从ms级上升到s级直至ns级，使得此时瞬态电磁过程具有小时间尺度的特征。由此引发多重的复杂电磁效应。
首先，系统中的杂散参数，不仅可能引起电压电流的过冲和振荡，还会增加开关损耗，甚至损坏器件[3,4]。其次，小时间尺度剧烈变化交变电磁场的趋肤效应将非常明显，由此引发局部电磁场量过高，进而引发局部电磁/热应力过大等问题。因此，现有的集中参数电路与电磁场模型将不完全适用小时间尺度下电力电子系统电磁暂态过程的分析与计算。
有限元全波分析、计算方法进而成为综合考虑上述各种效应的电力电子系统动态分析的首选方法。然而，由于现代电力电子系统一般由包含众多电力电子器件、开关、引线（导电排）等构成的复杂系统，采用电磁场全波计算方法对整个系统动态性能进行分析与计算将遇到计算资源巨大这一难以逾越的瓶颈问题[5-7]。
有鉴于此，本文建立了IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性分析、计算的三维电磁场-电路耦合计算模型，并提出了其求解的迭代计算方法；通过仿真计算和实验研究证明了理论工作的有效性和优越性。
图1 典型IGBT系统的母线结构
结论
随着电力电子技术的快速发展，IGBT等功率电子器件的开关频率大幅提高，其电磁过程具有典型的小时间尺度特征。在此时间尺度下，电路的杂散参数和趋肤效应等的影响将不可忽略。为此，本文提出了一种基于杂散参数分布电路-三维动态电磁场的耦合模型和计算方法以适合IGBT电力电子系统小时间尺度动态特性的精确模拟。
仿真和实验结果证明，本文提出的计算模型和计算方法较好地解决了小时间尺度下IGBT电力电子系统杂散参数和趋肤效应等的影响问题。此外，本文提出的IGBT本体三维瞬态电磁场计算模型能够精确模拟不同沟道电流分布不均匀问题，因此能够比较准确地研究IGBT内部的局部电磁应力集中问题，具有重要的工程应用价值。