CN111046529A - 一种igbt的老化建模方法及老化注入器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统故障模拟技术领域,公开了一种IGBT的老化建模方法及老化注入器,以提高IGBT退化过程模拟的真实性和有效性,为IGBT老化的诊断、隔离和容错技术的研究提供较为真实可靠的故障模拟环境。本发明公开的IGBT老化建模方法包括:建立正常情况下IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,根据门极节点电流方程和电压方程建立正常情况下IGBT精细化模型;建立IGBT老化情况下的门极导通阈值电压与时间的关联关系,根据关联关系模拟门级导通阈值电压在老化过程中的时变特征;根据IGBT精细化模型和时变特征建立IGBT老化模型。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统故障模拟技术领域,尤其涉及一种IGBT的老化建模方法及老化注入 器。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)是一种功率器件(模块), 被广泛应用于轨道交通、电动汽车可再生能源并网发电、电力系统等的功率变换装置中。IGBT 性能的好坏直接影响了功率变换装置的运行可靠性和安全性。在实际运行中,由于承受电、 热、机械等应力冲击,IGBT器件由于某些性能指标随着时间不断退化而引起老化,进而失效, 如不能及时发现并采取相应措施,极易带来器件失效而引发短路、开路故障,甚至造成器件 烧毁或爆炸,致使整个系统故障。
为了延长IGBT器件使用寿命,提高运行可靠性,对IGBT老化过程进行更深入的分析, 建立一个精确、结构简单、可以体现较为完整的老化过程的IGBT模型并进行模拟仿真,对 于系统状态监测具有重要意义。而目前已有的IGBT建模方法中,大多把IGBT当做一种理想 开关,只能对其开路故障进行建模,而无法对其老化过程进行建模,致使IGBT因老化造成 的器件性能退化进而失效的机理难以描述、过程数据难以获取,给IGBT老化过程的状态评 估、故障诊断、故障预测技术带来困难。
因此,现需提供一种IGBT器件退化过程建模方法,提高IGBT退化过程模拟的真实性和 有效性,为TGBT器件运行状态监测、故障诊断、故障预测以及可靠性等技术研究提供真实可 靠的模拟环境。
发明内容
本发明目的在于提供一种IGBT的老化建模方法及老化注入器,以提高IGBT退化过程模 拟的真实性和有效性,为IGBT老化的诊断、隔离和容错技术的研究提供较为真实可靠的故 障模拟环境。
为实现上述目的,本发明公开了一种IGBT的老化建模方法,包括:
S1:建立正常情况下IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,根据所述门极节点电流方 程和电压方程建立正常情况下IGBT精细化模型;
S2:建立IGBT老化情况下的门极导通阈值电压与时间的关联关系,根据所述关联关系模 拟门级导通阈值电压在老化过程中的时变特征;
S3:根据所述IGBT精细化模型和所述时变特征建立IGBT老化模型。
优选地,还包括:
S4:根据所述IGBT老化模型构建IGBT老化注入器,并实施IGBT老化注入。
优选地,所述S1具体包括:
S11:根据IGBT内部结构和IGBT内部结构的等效电路,建立IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,公式为:
式中,ig为IGBT门级电流,iCgs为流过Cgs电容的电流,iCgd为流过Cgd电容的电流,Cgs为IGBT内部栅极-源极等效动态电容,Cgd为IGBT内部栅极-漏极等效动态电容,Vbc为IGBT基极-集电极电压,Vdc为IGBT漏极-集电极电压,Vds为IGBT漏极-源极电压,Vdg为内部漏 极-栅极电压,Vgs为栅极-源极电压;
S12:根据电容两端电压与电流关系,将电流iCgs、iCgd用端电压表示,公式为:
S13:计算Vgs的微分方程形式,公式为:
S14:建立IGBT内部集电极电流iT公式如下:
式中,ip为电子电流,in为空穴电流,计算公式为:
式中,Vbs为IGBT基极-源极电压,其中Vbs=Vds,Q为基区过剩载流子电荷,W为准中性基区宽度,DP为空穴扩散系数,imos为MOSFET沟道电流,Cbcj为基区-集电极耗尽层电容, QB为移动载流子基础电荷,其中,IGBT内部MOFET沟道电流imos表达式为:
式中,Kp为MOSFET跨导,VT为门极导通阈值;
S15:计算VCE的微分方程如下:
式中,VCE为IGBT集电极-发射极电压,且有VCE≈Vbc;
S16:计算到Vgs的微分方程如下:
优选地,所述S2具体包括:
S21:建立IGBT老化情况下门极导通阈值电压VTa与时间t的关联关系为:
式中,α为加速系数,τ为时间常数,a为增益系数,b为初始状态常数;
S22:根据IGBT老化情况下门极导通阈值电压VTa模拟门级导通阈值电压在老化过程中 的时变特征,公式如下:
优选地,所述S3中,所述根据所述IGBT精细化模型和所述时变特征建立IGBT老化模 型为:
优选地,所述S4包括:
S41:构建IGBT老化注入器,所述老化注入器至少包括三部分,分别为用户设定、控制 实现和模型,所述用户设定部分用于设定IGBT老化参数和老化注入时间;所述控制实现部 分包括老化注入控制器,所述控制实现用于接收用户设定的来华注入时间和老化参数,还用 于发出老化参数信号和模型切换信号,所述模型包括正常模型和老化模型,所述模型用于进 行IGBT正常状态与老化过程的模拟;
S42:实施故障注入,设定IGBT老化参数和故障注入时间,在故障注入时将正常模型切 换为老化模型,模拟IGBT老化过程。
作为一个总地发明构思,本发明还提供一种采用上述IGBT的老化建模方法实现老化注 入的老化注入器,包括:
设定模块,用于设定IGBT老化参数和老化注入时间;
模型选项模块,用于存储IGBT正常模型和IGBT老化模型;
老化注入模块,用于根据设定的IGBT老化参数和老化注入时间,在故障注入时将正常 模型切换为老化模型,模拟IGBT老化过程。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供一种IGBT的老化建模方法及老化注入器,包括:建立正常情况下IGBT内 部门极节点电流方程和电压方程,根据所述门极节点电流方程和电压方程建立正常情况下 IGBT精细化模型;建立IGBT老化情况下的门极导通阈值电压与时间的关联关系,根据所述 关联关系模拟门级导通阈值电压在老化过程中的时变特征;根据所述IGBT精细化模型和所 述时变特征建立IGBT老化模型;该方法可以提高IGBT退化过程模拟的真实性和有效性,为 IGBT老化的诊断、隔离和容错技术的研究提供较为真实可靠的故障模拟环境。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明优选实施例中的IGBT模型测试电路;
图2为本发明基于IGBT精细化模型老化建模方法流程图;
图3为本发明优选实施例的IGBT精细化模型等效电路;
图4为本发明优选实施例中VTa为1V时,IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压VCE的波形图;
图5为本发明优选实施例中VTa为3V时,IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压VCE的波形图;
图6为本发明优选实施例中VTa为5V时,IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压VCE的波形图;
图7为本发明优选实施例中的老化注入器结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖 的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开了一种IGBT的老化建模方法。本实施例中所建立的IGBT老化模型,具 体参数如表1所示。本实施例中使用的IGBT模型测试电路如图1所示,测试电路参数如表2所示。
表1
Q与QB可通过公式(1)计算得到
W与Cbcj可通过公式(2)计算得到
表2
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。
如图2所示,本实施例的IGBT的老化建模方法包括如下步骤:
S1:建立正常情况下IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,根据门极节点电流方程和 电压方程建立正常情况下IGBT精细化模型;
S2:建立IGBT老化情况下的门极导通阈值电压与时间的关联关系,根据关联关系模拟门 级导通阈值电压在老化过程中的时变特征;
S3:根据IGBT精细化模型和时变特征建立IGBT老化模型。
上述的IGBT的老化建模方法可以提高IGBT退化过程模拟的真实性和有效性,为IGBT 老化的诊断、隔离和容错技术的研究提供较为真实可靠的故障模拟环境。
实际应用中,在上述步骤中,本发明的IGBT的老化建模方法还可以进行优化,优化后 的实施例如下:
S1:建立正常情况下IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,根据所述门极节点电流方 程和电压方程建立正常情况下IGBT精细化模型。具体包括:
S11:图3是IGBT内部结构及其等效电路,根据图3,可以建立IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,公式为:
式中,ig为IGBT门级电流,iCgs为流过Cgs电容的电流,iCgd为流过Cgd电容的电流,Cgs为IGBT内部栅极-源极等效动态电容,Cgd为IGBT内部栅极-漏极等效动态电容,Vbc为IGBT基极-集电极电压,Vdc为IGBT漏极-集电极电压,Vds为IGBT漏极-源极电压,Vdg为内部漏 极-栅极电压,Vgs为栅极-源极电压;
S12:根据电容两端电压与电流关系,将电流iCgs、iCgd用端电压表示,公式为:
S13:计算Vgs的微分方程形式,公式为:
S14:建立IGBT内部集电极电流iT公式如下:
iT=in+ip; (6)
式中,ip为电子电流,in为空穴电流,计算公式为:
式中,Vbs为IGBT基极-源极电压,其中Vbs=Vds,Q为基区过剩载流子电荷,W为准中性基区宽度,DP为空穴扩散系数,imos为MOSFET沟道电流,Cbcj为基区-集电极耗尽层电容, QB为移动载流子基础电荷,其中,IGBT内部MOFET沟道电流imos表达式为:
式中,Kp为MOSFET跨导,VT为门极导通阈值;
S15:计算VCE的微分方程如下:
式中,VCE为IGBT集电极-发射极电压,且有VCE≈Vbc;
S16:计算到Vgs的微分方程如下:
S2:建立IGBT老化情况下的门极导通阈值电压与时间的关联关系,根据所述关联关系模 拟门级导通阈值电压在老化过程中的时变特征;
具体包括:
S21:建立IGBT老化情况下门极导通阈值电压VTa与时间t的关联关系为:
式中,α为加速系数,τ为时间常数,a为增益系数,b为初始状态常数;在本实施例中,设 定α=1,τ=1,a=10.77,b=-10。
S22:根据IGBT老化情况下门极导通阈值电压VTa模拟门级导通阈值电压在老化过程中 的时变特征,公式如下:
S3:根据所述IGBT精细化模型和所述时变特征建立IGBT老化模型为:
S4:根据所述IGBT老化模型构建IGBT老化注入器,并实施IGBT老化注入。
具体包括:
S41:构建IGBT老化注入器,所述老化注入器至少包括三部分,分别为用户设定、控制 实现和模型,所述用户设定部分用于设定IGBT老化参数和老化注入时间;所述控制实现部 分包括老化注入控制器,所述控制实现用于接收用户设定的来华注入时间和老化参数,还用 于发出老化参数信号和模型切换信号,所述模型包括正常模型和老化模型,所述模型用于进 行IGBT正常状态与老化过程的模拟;
S42:实施故障注入,设定IGBT老化参数和故障注入时间,在故障注入时将正常模型切 换为老化模型,模拟IGBT老化过程。
进一步地,设定IGBT老化参数和故障注入时间,在故障注入时将正常模型切换为老化 模型,模拟IGBT老化过程。
图4-6分别是VTa为1V、3V和5V时,IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压VCE的波形图。其中,IGBT老化时,VTa逐渐变大,导致IGBT关断时刻尖峰电压逐渐减小。
实施例2
如图7所示,与上述方法实施例相对应地,本实施例提供一种采用上述IGBT的老化建 模方法实现老化注入的老化注入器,包括:
设定模块,用于设定IGBT老化参数和老化注入时间;
模型选项模块,用于存储IGBT正常模型和IGBT老化模型;
老化注入模块,用于根据设定的IGBT老化参数和老化注入时间,在故障注入时将正常模型 切换为老化模型,模拟IGBT老化过程。
Claims (7)
1.一种IGBT的老化建模方法,其特征在于,包括:
S1:建立正常情况下IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,根据所述门极节点电流方程和电压方程建立正常情况下IGBT精细化模型;
S2:建立IGBT老化情况下的门极导通阈值电压与时间的关联关系,根据所述关联关系模拟门级导通阈值电压在老化过程中的时变特征;
S3:根据所述IGBT精细化模型和所述时变特征建立IGBT老化模型。
2.根据权利要求1所述的IGBT的老化建模方法,其特征在于,还包括:
S4:根据所述IGBT老化模型构建IGBT老化注入器,并实施IGBT老化注入。
3.根据权利要求1所述的IGBT的老化建模方法,其特征在于,所述S1具体包括:
S11:根据IGBT内部结构和IGBT内部结构的等效电路,建立IGBT内部门极节点电流方程和电压方程,公式为:
式中,ig为IGBT门级电流,iCgs为流过Cgs电容的电流,iCgd为流过Cgd电容的电流,Cgs为IGBT内部栅极-源极等效动态电容,Cgd为IGBT内部栅极-漏极等效动态电容,Vbc为IGBT基极-集电极电压,Vdc为IGBT漏极-集电极电压,Vds为IGBT漏极-源极电压,Vdg为内部漏极-栅极电压,Vgs为栅极-源极电压;
S12:根据电容两端电压与电流关系,将电流iCgs、iCgd用端电压表示,公式为:
S13:计算Vgs的微分方程形式,公式为:
S14:建立IGBT内部集电极电流iT公式如下:
iT=in+ip; (4)
式中,ip为电子电流,in为空穴电流,计算公式为:
式中,Vbs为IGBT基极-源极电压,其中Vbs=Vds,Q为基区过剩载流子电荷,W为准中性基区宽度,DP为空穴扩散系数,imos为MOSFET沟道电流,Cbcj为基区-集电极耗尽层电容,QB为移动载流子基础电荷,其中,IGBT内部MOFET沟道电流imos表达式为:
式中,Kp为MOSFET跨导,VT为门极导通阈值;
S15:计算VCE的微分方程如下:
式中,VCE为IGBT集电极-发射极电压,且有VCE≈Vbc;
S16:计算到Vgs的微分方程如下:
6.根据权利要求2所述的IGBT的老化建模方法,其特征在于,所述S4包括:
S41:构建IGBT老化注入器,所述老化注入器至少包括三部分,分别为用户设定、控制实现和模型,所述用户设定部分用于设定IGBT老化参数和老化注入时间;所述控制实现部分包括老化注入控制器,所述控制实现用于接收用户设定的来华注入时间和老化参数,还用于发出老化参数信号和模型切换信号,所述模型包括正常模型和老化模型,所述模型用于进行IGBT正常状态与老化过程的模拟;
S42:实施故障注入,设定IGBT老化参数和故障注入时间,在故障注入时将正常模型切换为老化模型,模拟IGBT老化过程。
7.一种采用上述权利要求1-6任一所述IGBT的老化建模方法实现老化注入的老化注入器,其特征在于,包括:
设定模块,用于设定IGBT老化参数和老化注入时间;
模型选项模块,用于存储IGBT正常模型和IGBT老化模型;
老化注入模块,用于根据设定的IGBT老化参数和老化注入时间,在故障注入时将正常模型切换为老化模型,模拟IGBT老化过程。
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