CN109918700A - Igbt多时间尺度结温预测模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法。依据不同时间尺度下关注的重点，结合不同时间尺度下IGBT的损耗与传热特征，建立了一种基于损耗与传热特征的IGBT多时间尺度结温预测模型，包括基于半导体物理模型与吸放热定理的短时瞬态微秒级结温预测模型；基于数据手册等效开关损耗与降阶传热网络的非稳态毫秒级结温预测模型；基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络的稳态秒级结温预测模型。通过设计与搭建实验系统在相应时间尺度下对模型进行了实验验证，仿真与实验结果验证了模型的正确性与有效性。所提出的IGBT多时间尺度结温预测模型，实现了不同时间尺度与不同应用环境下可行、高效的IGBT结温仿真与计算。

Description

IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件建模技术领域，具体涉及一种 IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法。

背景技术

提出了越来越高的要求，实现该目标的基础是建立电力电子系统核心部件-IGBT器件的精确模型。而热特征是影响电力电子器件运行特性的重要因素，是表征电力电子器件健康状态的重要参量。在不同应用背景和不同时间尺度下，设计与应用者关注的细节与重点不同。因此，根据不同应用背景和时间尺度，基于IGBT器件的损耗与传热特征，建立满足设计与应用者要求的IGBT多时间尺度结温预测模型，以实现仿真速度和精度的有效协调和统一，对于提高模型仿真效率与适用性、实现快速有效的结温仿真与计算至关重要。

当前关于IGBT传热与结温模型的报道较多，主要针对单一时间尺度下的IGBT传热特性进行了建模，但涉及IGBT多时间尺度结温预测问题的论述较少。根据应用的对象不同，将 IGBT传热模型分为电路级、系统级和环境级三个等级，电路级到环境级传热模型逐渐简化，分别对相应环境下的IGBT结温进行表征；基于电力电子器件到系统的等级不同，将传热模型分为器件级、组件级和系统级，根据不同等级关注的重点不同，建立了满足精度和速度要求的传热模型，对于提高仿真效率具有一定的意义，但其不能指导不同时间尺度下的结温预测与仿真；从功率器件的开关特性出发，根据时间尺度的不同选取不同的瞬态模型描述器件的开关瞬态过程，并反映其对应阶段的开关特性，该报道只针对IGBT器件的开关电气特性进行了多时间尺度建模；提出了一种多时间尺度IGBT器件模型的仿真实现方法，并总结归纳出了各时间尺度模型的应用场合，该报道只针对功率器件开关电气特性多时间尺度仿真方法进行了研究。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种IGBT 多时间尺度结温预测模型建模方法，实现了不同时间尺度与不同应用环境下可行、高效的IGBT结温仿真与计算。

本发明提供了一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，包括以下步骤：

S1.基于半导体物理与吸放热定理，建立了IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型；

S2.根据IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型，分析短时瞬态微秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于短脉冲工况的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型；

S3.基于所建立的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型，结合数据手册，建立了等效开关损耗的IGBT损耗模型与降阶的毫秒级传热网络；

S4.基于数据手册等效开关损耗与降阶的毫秒级传热网络，通过分析非稳态毫秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于脉冲序列工况的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型；

S5.基于所建立的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，结合基波周期结温波动特征，建立秒级IGBT损耗模型与等效一阶传热网络；

S6.基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络，通过分析稳态秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立了适用于周期稳态工况的IGBT稳态秒级结温预测模型。

上述技术方案中，IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型是指在短时能量作用下，热量几乎全部作用于芯片，未能及时向下传递，多指装置工作于短时脉冲工作模式，时间尺度为微秒级。

上述技术方案中，微秒级热仿真的IGBT结温预测模型，如下式所示：

其中，P_Die为实时损耗功率，t为导通时间，C为IGBT芯片层热容，m为IGBT芯片层质量m＝ρ·d·s，ρ为硅材料的密度，d为芯片厚度，s为芯片面积，Tj为IGBT芯片结温， T_c为IGBT壳温。

上述技术方案中，IGBT非稳态毫秒级结温预测模型针对热传递状态介于热量未能及时向下传递短时瞬态与热量传递达到稳态之间的状态，多指装置工作于脉冲序列工作模式，时间尺度为毫秒级。

上述技术方案中，步骤S3包括以下步骤：

根据厂家提供的封装结构参数，基于电热比拟理论与热阻、热容理论计算式，得到待预测IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数；基于IGBT模块的热网络结构与IGBT传热理论模型，通过分析单层RC网络的运行特性，判断封装各层之间的热传递规律，建立适用于非稳态毫秒级热仿真的 IGBT传热网络；

其中，IGBT传热网络所关注的时间尺度为毫秒级状态下的热特征，微秒级特征可以忽略不计，忽略反映微秒级热传递规律的热容，视为无穷大即开路状态。

上述技术方案中，步骤S4包括以下步骤：

基于所建立的非稳态毫秒级热仿真的IGBT传热网络，通过对其进行拉普拉斯变换与反变换，求出芯片结温与各层温度；基于所建立的半导体物理模型与器件厂商提供的数据手册，通过考虑开关能量随电压电流的变化规律，基于开关能量与开关时间计算得到IGBT开关损耗；基于数据手册提供的导通压降随电流的变化规律，通过对导通电流与导通电压积分得到导通损耗；根据上述计算结果，建立IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，

其中，时间尺度为毫秒级，只对开关瞬态微秒级时间尺度内的开关损耗进行等效表征。

上述技术方案中，适用于秒级热仿真的IGBT结温预测模型，是针对热量产生与耗散达到平衡，即热量传递达到稳态。

上述技术方案中，步骤S5中适用于稳态秒级热仿真的IGBT 一阶传热模型的理论模型如下式：

R_eq,C_eq＝f(C_n…C₁，R_n…R₁)

其中，Req和Ceq分别为等效热阻和等效热容；R_n，C_n分别为第n层的热阻和热容。

上述技术方案中，步骤S6包括：基于所建立的毫秒级损耗模型，将IGBT开关与导通能量等效于IGBT开关周期时间内得到毫秒级时间尺度下的损耗模型；基于所建立的秒级传热模型，建立了适用于秒级热仿真的结温预测模型。

本发明依据不同时间尺度下关注的重点，结合不同时间尺度下IGBT的损耗与传热特征，建立了一种基于损耗与传热特征的IGBT多时间尺度结温预测模型。本发明基于半导体物理模型与吸放热定理，通过分析短时瞬态微秒级时间尺度内 IGBT的传热特征，建立了适用于短脉冲工况的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型，可直接用于微秒级短脉冲工况的IGBT结温预测与计算。本发明基于数据手册等效开关损耗与降阶的传热网络，通过分析非稳态毫秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立了适用于脉冲序列工况的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，可直接用于毫秒级脉冲序列工况的IGBT结温预测与计算。本发明基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络，通过分析稳态秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立了适用于周期稳态工况的IGBT稳态秒级结温预测模型，可直接用于秒级周期稳态工况的IGBT结温预测与计算。本发明通过设计与搭建实验系统在相应时间尺度下对模型进行了实验验证，仿真与实验结果验证了模型的正确性与有效性。所提出的IGBT 多时间尺度结温预测模型，实现了不同时间尺度与不同应用环境下可行、高效的IGBT结温仿真与计算。

附图说明

图1两层结构与温度上升时间

图2微秒级结温预测模型

图3微秒级模型损耗与结温仿真结果

图4 IGBT基本结构及其Cauer热网络模型

图5适用于毫秒级热仿真的IGBT传热模型

图6毫秒级结温预测模型

图7毫秒级模型损耗与结温仿真结果

图8适用于秒级热仿真的IGBT传热模型

图9秒级结温预测模型

图10秒级模型损耗与结温仿真结果

图11 IGBT多时间尺度结温预测模型实验验证系统

图12微秒级结温预测模型实验验证电路与方法

图13微秒级结温预测模型仿真与实验结果

图14毫秒级结温预测模型实验验证电路与方法

图15毫秒级结温预测模型仿真与实验结果

图16秒级结温预测模型实验验证电路与方法

图17秒级结温预测模型仿真与实验结果

图18 IGBT多时间尺度结温预测模型特征。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明提供了一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，包括以下步骤：

S1.基于半导体物理与吸放热定理，建立了IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型；

S2.根据IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型，分析短时瞬态微秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于短脉冲工况的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型；

S3.基于所建立的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型，结合数据手册，建立了等效开关损耗的IGBT损耗模型与降阶的毫秒级传热网络；

S4.基于数据手册等效开关损耗与降阶的毫秒级传热网络，通过分析非稳态毫秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于脉冲序列工况的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型；

S5.基于所建立的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，结合基波周期结温波动特征，建立秒级IGBT损耗模型与等效一阶传热网络；

S6.基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络，通过分析稳态秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立了适用于周期稳态工况的IGBT稳态秒级结温预测模型。

步骤S1-S2用于建立短时瞬态微秒级结温预测模型，下面对其进行分析：

用于微秒级热仿真的IGBT结温预测模型，是针对短时能量作用下，热量几乎全部作用于芯片，未能及时向下传递。热量未能及时向下传递的划分标准为热量传递时间小于IGBT芯片与其相邻层热传递的延迟时间，由于该延迟时间为微秒级，所以热量未能及时向下传递的时间尺度为微秒级。

由于短时脉冲典型工况下，IGBT导通时间非常短，可以认为热量未能及时向外传递，即热量全部作用于芯片使芯片结温快速升高。此时，IGBT芯片温升遵循物体吸热能力与温升之间的理论关系，如式(1)所示。

Q＝C·m·ΔT (1)

其中，ΔT为温升幅度，C为IGBT芯片层热容，m为IGBT 芯片层质量m＝ρ·d·s，ρ为硅材料的密度，d为芯片厚度，s为芯片面积，这些参数通过数据手册、微观观测手段和参数提取方法获取。

综上，基于式(1)建立了适用于微秒级热仿真的IGBT 结温预测模型，如式(2)所示。

短时瞬态的判断标准可以通过IGBT芯片层与其相邻层 (上焊料层)的温度上升延迟时间来界定，芯片与上焊料层实际封装与RC结构如图1(a)所示。IGBT模块封装各层温度如式(3)所示，延迟时间Δt即为芯片层温度上升10％与上焊料层温度上升10％所需时间之差，如式(4)所示。当IGBT 工作在短时脉冲模式，且导通时间小于等于该延迟时间，即可采用所建立的结温预测模型进行仿真计算。

T_j＝f(C_n…C₁，R_n…R₁，P_Die(t)，T_c) (3)

Δt＝f^-1(10％·T_{j_chip})-f^-1(10％·T_{j_solder1}) (4)

图1(b)为依据该型IGBT模块封装结构建立的7层RC 传热网络模型在恒定输入功率6000W，周期20ms，占空比 1/40，IGBT芯片层、上焊料层温度变化规律与温度上升10％所需时间。通过图1(b)可以看出，上焊料层温度上升10％需要 125.7us，芯片层温度上升10％需要45.02us，上焊料层与芯片层相比时间延迟了80.61us。即可认为在IGBT导通80.61us时间内，IGBT芯片层热量未能及时向下传递，而全部作用于该层使其温度快速升高。此时，IGBT芯片温升即可采用式(2) 进行计算。

基于半导体物理，建立了IGBT电热物理模型，如图2所示。通过参数提取方法提取IGBT模块的相关物理参数，作为物理模型的输入。模型建立了内部参数之间的互动与耦合关系，IGBT的温度特性由半导体物理参数的温度特性决定。将电气模型的二次端口输出量功率损耗作为微秒级传热模型的输入，即可计算出IGBT结温，结温实时反馈至电气模型的输入端，实现电热耦合仿真。

采用所建立的短时瞬态微秒级结温预测模型对一个开关过程中的IGBT损耗与结温进行了仿真分析，如图3所示。可以看出，该物理模型可以对IGBT开关瞬态与导通稳态下的损耗进行表征，且结温在微秒级时间尺度下的仿真呈线性规律增大。

该模型主要应用于电力电子装置的短时瞬态脉冲或短路工作模式，由于该工作模式下主要关注的是微秒级时间尺度内的瞬态过程，因此，所建立的短时瞬态微秒级结温预测模型可对IGBT微秒级时间尺度内的开关瞬态过程及结温变化规律进行表征。

步骤S3-S4用于建立非稳态毫秒级结温预测模型，下面对其进行具体分析：

适用于毫秒级热仿真的IGBT结温预测模型，是针对热量产生与耗散未达到平衡，即热量传递的非稳态。热量传递非稳态是指热传递状态介于热量未能及时向下传递短时瞬态与热量传递达到稳态之间的状态，该状态过程的时间尺度为毫秒级，所以热量传递非稳态的时间尺度为毫秒级。

模块式IGBT一般为芯片至基板的七层sandwich结构，如图4(a)所示。根据厂家提供的封装结构参数，基于电热比拟理论与热阻、热容理论计算式，得到该型IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数，如图4(b)所示。

基于IGBT模块7层Cauer热网络结构与IGBT传热理论模型，通过分析单层RC网络的运行特性，研究封装各层之间的热传递规律，得出其中3层结构时间常数为微秒级，这3层结构分别为上焊料层、上铜层和下铜层。由于该模型为毫秒级传热模型，其所关注的时间尺度为毫秒级状态下的热特征，所以微秒级特征可以忽略不计，因此将反映微秒级热传递规律的 3层RC网络中的热容C忽略，视为无穷大，开路状态，则7 层传热网络简化为4层，即建立了适用于非稳态毫秒级热仿真的IGBT四阶传热模型,如图5所示。

基于所建立的毫秒级传热模型，通过对其进行拉普拉斯变换与反变换，即可求出芯片结温与各层温度，如式(5)所示。

基于所建立的半导体物理模型与器件厂商提供的数据手册，通过考虑开关能量随电压电流的变化规律，基于开关能量与开关时间计算得到IGBT开关损耗。由于该时间尺度为毫秒级，所以只需对开关瞬态微秒级时间尺度内的开关损耗进行等效表征。基于数据手册提供的导通压降随电流的变化规律，通过对导通电流与导通电压积分得到导通损耗。进而，基于所建立的毫秒级传热模型，建立了适用于毫秒级热仿真的结温预测模型，如图6所示。

采用所建立的非稳态毫秒级结温预测模型对逆变基波周期内的IGBT损耗与结温进行了仿真分析，如图7所示。通过图7(a)可以看出，该模型可以对IGBT开关与导通状态下的损耗进行表征。通过图7(b)可以看出，该模型可以仿真得出毫秒级时间尺度下关注的IGBT开关周期内的结温波动。

该模型主要应用于电力电子装置的非稳态脉冲序列工作模式，由于该工作模式下主要关注的是毫秒级时间尺度内的非稳态过程，因此，所建立的非稳态毫秒级结温预测模型可对 IGBT开关周期毫秒级时间尺度内的损耗与结温进行表征。

步骤S5-S6用于建立稳态秒级结温预测模型，下面对其进行具体分析：

适用于秒级热仿真的IGBT结温预测模型，是针对热量产生与耗散达到平衡，即热量传递达到稳态。自装置启动到热传递达到稳态所需时间由传热网络结构各层的时间常数决定为秒级，因此，热量传递达到稳态的时间尺度为秒级。

当结温达到稳态之后，传热动力学作用分量为0。此时，采用毫秒级4层结构与采用等效一阶RC传热模型仿真结果一致。根据这一原则，建立了适用于稳态秒级热仿真的IGBT一阶传热模型，如图8所示，理论模型如式(6)所示。其中， R_eq和C_eq分别为等效热阻和等效热容，如式(7)所示。

R_eq,C_eq＝f(C₄…C₁，R₄…R₁) (7)

IGBT开关频率一般为几百至几千Hz，即IGBT开关周期时间尺度为毫秒级。而该模型时间尺度为秒级，与逆变器输出周期的时间尺度相对应。因此，可以进一步将IGBT开关周期毫秒级时间尺度内的损耗进行等效表征。基于所建立的毫秒级损耗模型，将IGBT开关与导通能量等效于IGBT开关周期时间内得到毫秒级时间尺度下的损耗模型。进而，基于所建立的秒级传热模型，建立了适用于秒级热仿真的结温预测模型，如图9所示。

采用所建立的稳态秒级结温预测模型对基波周期内的 IGBT损耗与结温进行了仿真分析，如图10所示。通过图10 (a)可以看出，该物理模型对IGBT开关与导通状态下的损耗在IGBT开关周期时间尺度下进行了等效表征，使损耗模型特征与输出周期秒级时间尺度相适应。通过图10(b)可以看出，该模型可以仿真得出逆变输出周期秒级时间尺度下的IGBT结温运行规律。

该模型主要应用于电力电子装置的稳态工频周期工作模式，由于该工作模式下主要关注的是秒级时间尺度内的稳态过程，因此，所建立的稳态秒级结温预测模型可对IGBT基波周期秒级时间尺度内的损耗与结温进行表征。

基于不同时间尺度下IGBT的传热与损耗特征，建立了 IGBT多时间尺度结温预测模型：短时瞬态微秒级结温预测模型M_μs、非稳态毫秒级结温预测模型M_ms与稳态秒级结温预测模型M_s。不同时间尺度下IGBT结温预测模型的相关特征对比分析，如表1所示。

表1 IGBT多时间尺度结温预测模型特征

通过表1可以看出，根据不同时间尺度和应用背景关注的重点，分别建立了IGBT模型与传热模型。微秒级模型仿真步长为10^-12s，该模型在电力电子系统秒级仿真时长条件下是无法实施的，所以根据不同时间尺度建立相应的结温预测模型，对于实现不同应用背景下的IGBT结温仿真与预测是必不可少的。当电力电子装置工作于单一工作模式时，可根据具体应用工况选择相应时间尺度的结温预测模型进行仿真分析与结温预测；当电力电子装置工作于多种工作模式时，则需要根据不同阶段对应的工作模式，将不同时间尺度下的结温预测模型交叉联合使用，开展仿真分析与结温预测。

搭建了IGBT多时间尺度结温预测模型实验验证系统，如图11所示，通过改变连接方式可以满足不同时间尺度下结温模型实验验证的要求。该系统通过三相调压器给整流器持续供电，整流器输出连接支撑电容，形成连续不断电源。实验采用某型1200V/50A半桥模块，其中结温待观测模块为未灌硅胶且侧面打开封装的结构。通过哑光黑漆统一发射率之后，采用红外热像仪对芯片温度进行实时观测并记录，并采用光纤测温系统对IGBT模块壳温进行实时测量。

下面对短时瞬态微秒级结温预测模型进行实验验证：

在图11实验平台的基础上，采用被观测模块构建微秒级结温预测模型实验验证系统，电路如图12所示。采用红外热像仪，实现了微秒级结温测试。

在不同工况下，对微秒级结温预测模型进行了实验验证，如表2所示。通过1.1节可知，对于该模块，微秒级的标准为 80.61μs。实验对IGBT导通5μs、15μs、25μs、35μs、45μs、55μs、65μs、75μs时刻的IGBT结温进行了观测，延迟间隔时间为10μs。仿真与实验结果如图13所示，误差分析如表3所示。

表2不同工况下参数设置

表3实验测试与模型仿真误差分析

微秒级结温预测模型损耗计算来自于IGBT物理模型，所以损耗计算精度较高。通过图13(b)可以看出，模型仿真与实测结果吻合较好，且模型仿真均高于实验测试结果，这是由于实验采用的是打开封装未灌硅胶模块，存在对流换热现象，所以实测结果均小于仿真值。通过表3可以看出，模型仿真与实验测试误差在5％以内。该实验验证了所建立的微秒级结温预测模型的正确性与有效性。

下面对非稳态毫秒级结温预测模型进行实验验证：

由于红外热像仪在适用于IGBT芯片拍摄模式时频率最高为1kHz，所以要想对IGBT开关过程中的结温变化过程进行连续拍摄，且采样率不小于10Hz，则IGBT开关频率最高为100Hz，所以在图11实验平台的基础上，采用被观测模块构建毫秒级结温预测模型实验验证系统，电路如图14(a)所示。采用红外热像仪对IGBT开关过程中的结温变化过程进行连续拍摄，如图14(b)所示。

在不同工况下，对毫秒级结温预测模型进行了实验验证。根据该模型要验证的时间尺度(ms)、红外热像仪的采样频率，设计了如表4所示三种实验工况。仿真与实验结果如图15所示，误差分析如表5所示。

表4不同工况下参数设置

表5实验测试与模型仿真误差分析

为了降低模型复杂度，提高仿真效率，实现系统仿真目标，毫秒级结温预测模型损耗计算是基于数据手册提供的数据，采用分段线性的方法获取的，所以损耗计算比微秒级半导体物理模型精度低。通过图15(b)可以看出，模型仿真与实测结果吻合较好。通过表5可以看出，模型仿真与实验测试误差在 5％以内。该实验验证了所建立的毫秒级结温预测模型的正确性与有效性。

下面对稳态秒级结温预测模型进行实验验证：

在图11实验平台的基础上，搭建了三相两电平实验系统对秒级结温预测模型进行实验验证，电路如图16(a)所示。采用红外热像仪对A相桥臂IGBT模块逆变输出周期内的结温变化过程进行连续拍摄，如图16(b)所示。

在不同工况下，对秒级结温预测模型进行了实验验证。根据该模型要验证的时间尺度(s)、红外热像仪的采样频率，设计了如表6所示三种实验工况。仿真与实验结果如图17所示，误差分析如表7所示。

表6不同工况下参数设置

表7实验测试与模型仿真误差分析

秒级结温预测模型主要是针对电力电子系统基波周期内 IGBT结温变化规律进行仿真。通过图17(b)、(c)和(d) 可以看出，模型仿真与实测结果吻合较好。通过表7可以看出，模型仿真与实验测试误差在5％以内。该实验验证了所建立的秒级结温预测模型的正确性与有效性。

2.4小结

在典型工况下，将提出模型与传统模型的仿真效率进行了对比。传统电热耦合模型是基于半导体物理与实际封装结构的 RC热网络模型建立的，在大时间尺度下结温仿真与计算难以实施。仿真效率对比，如表8所示。

表8仿真效率对比

通过表3可以看出，相比于传统模型，提出模型仿真效率提升效果显著。并且在秒级周期稳态工况下，传统模型仿真无法实施。因此，多时间尺度结温预测模型对于实现不同时间尺度下的结温仿真与计算，提升仿真效率具有一定参考价值。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.基于半导体物理与吸放热定理，建立了IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型；

S2.根据IGBT半导体物理模型与微秒级传热模型，分析短时瞬态微秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于短脉冲工况的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型；

S3.基于所建立的IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型，结合数据手册，建立了等效开关损耗的IGBT损耗模型与降阶的毫秒级传热网络；

S4.基于数据手册等效开关损耗与降阶的毫秒级传热网络，通过分析非稳态毫秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立适用于脉冲序列工况的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型；

S5.基于所建立的IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，结合基波周期结温波动特征，建立秒级IGBT损耗模型与等效一阶传热网络；

S6.基于基波周期结温波动特征与等效一阶传热网络，通过分析稳态秒级时间尺度内IGBT的传热特征，建立了适用于周期稳态工况的IGBT稳态秒级结温预测模型。

2.根据权利要求1所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于：IGBT短时瞬态微秒级结温预测模型是指在短时能量作用下，热量几乎全部作用于芯片，未能及时向下传递，多指装置工作于短时脉冲工作模式，时间尺度为微秒级。

3.根据权利要求2所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于，

微秒级热仿真的IGBT结温预测模型，如下式所示：

其中，P_Die为实时损耗功率，t为导通时间，C为IGBT芯片层热容，m为IGBT芯片层质量m＝ρ·d·s，ρ为硅材料的密度，d为芯片厚度，s为芯片面积，Tj为IGBT芯片结温，Tc为IGBT壳温。

4.根据权利要求1所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于IGBT非稳态毫秒级结温预测模型针对热传递状态介于热量未能及时向下传递短时瞬态与热量传递达到稳态之间的状态，多指装置工作于脉冲序列工作模式，时间尺度为毫秒级。

5.根据权利要求4所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于步骤S3包括以下步骤：

根据厂家提供的封装结构参数，基于电热比拟理论与热阻、热容理论计算式，得到待预测IGBT模块芯片至基板各层结构参数与时间常数；基于IGBT模块的热网络结构与IGBT传热理论模型，通过分析单层RC网络的运行特性，判断封装各层之间的热传递规律，建立适用于非稳态毫秒级热仿真的IGBT传热网络；

其中，IGBT传热网络所关注的时间尺度为毫秒级状态下的热特征，微秒级特征可以忽略不计，忽略反映微秒级热传递规律的热容，视为无穷大即开路状态。

6.根据权利要求5所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于步骤S4包括以下步骤：

基于所建立的非稳态毫秒级热仿真的IGBT传热网络，通过对其进行拉普拉斯变换与反变换，求出芯片结温与各层温度；基于所建立的半导体物理模型与器件厂商提供的数据手册，通过考虑开关能量随电压电流的变化规律，基于开关能量与开关时间计算得到IGBT开关损耗；基于数据手册提供的导通压降随电流的变化规律，通过对导通电流与导通电压积分得到导通损耗；根据上述计算结果，建立IGBT非稳态毫秒级结温预测模型，

其中，时间尺度为毫秒级，只对开关瞬态微秒级时间尺度内的开关损耗进行等效表征。

7.根据权利要求5所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于适用于秒级热仿真的IGBT结温预测模型，是针对热量产生与耗散达到平衡，即热量传递达到稳态。

8.根据权利要求7所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于步骤S5中适用于稳态秒级热仿真的IGBT一阶传热模型的理论模型如下式：

R_eq,C_eq＝f(C_n…C₁，R_n…R₁)

其中，Req和Ceq分别为等效热阻和等效热容；Rn，Cn分别为第n层的热阻和热容。

9.根据权利要求8所述的IGBT多时间尺度结温预测模型建模方法，其特征在于步骤S6包括：基于所建立的毫秒级损耗模型，将IGBT开关与导通能量等效于IGBT开关周期时间内得到毫秒级时间尺度下的损耗模型；基于所建立的秒级传热模型，建立了适用于秒级热仿真的结温预测模型。