CN111046529A - 一种igbt的老化建模方法及老化注入器 - Google Patents

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

一种IGBT的老化建模方法及老化注入器

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，i_g为IGBT门级电流，i_Cgs为流过C_gs电容的电流，i_Cgd为流过C_gd电容的电流，C_gs为IGBT内部栅极-源极等效动态电容，C_gd为IGBT内部栅极-漏极等效动态电容，V_bc为IGBT基极-集电极电压，V_dc为IGBT漏极-集电极电压，V_ds为IGBT漏极-源极电压，V_dg为内部漏 极-栅极电压，V_gs为栅极-源极电压；

S12:根据电容两端电压与电流关系，将电流i_Cgs、i_Cgd用端电压表示，公式为：

S13:计算V_gs的微分方程形式，公式为：

S14：建立IGBT内部集电极电流i_T公式如下：

式中，i_p为电子电流，i_n为空穴电流，计算公式为：

式中，V_bs为IGBT基极-源极电压，其中V_bs＝V_ds，Q为基区过剩载流子电荷，W为准中性基区宽度，D_P为空穴扩散系数，i_mos为MOSFET沟道电流，C_bcj为基区-集电极耗尽层电容， Q_B为移动载流子基础电荷，其中，IGBT内部MOFET沟道电流i_mos表达式为：

式中，K_p为MOSFET跨导，V_T为门极导通阈值；

S15：计算V_CE的微分方程如下：

式中，V_CE为IGBT集电极-发射极电压，且有V_CE≈V_bc；

S16：计算到V_gs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V_Ta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V_Ta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V_Ta为1V时，IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压V_CE的波形图；

图5为本发明优选实施例中V_Ta为3V时，IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压V_CE的波形图；

图6为本发明优选实施例中V_Ta为5V时，IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压V_CE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Q_B可通过公式(1)计算得到

W与C_bcj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，i_g为IGBT门级电流，i_Cgs为流过C_gs电容的电流，i_Cgd为流过C_gd电容的电流，C_gs为IGBT内部栅极-源极等效动态电容，C_gd为IGBT内部栅极-漏极等效动态电容，V_bc为IGBT基极-集电极电压，V_dc为IGBT漏极-集电极电压，V_ds为IGBT漏极-源极电压，V_dg为内部漏 极-栅极电压，V_gs为栅极-源极电压；

S12:根据电容两端电压与电流关系，将电流i_Cgs、i_Cgd用端电压表示，公式为：

S13:计算V_gs的微分方程形式，公式为：

S14：建立IGBT内部集电极电流i_T公式如下：

i_T＝i_n+i_p； (6)

式中，i_p为电子电流，i_n为空穴电流，计算公式为：

式中，V_bs为IGBT基极-源极电压，其中V_bs＝V_ds，Q为基区过剩载流子电荷，W为准中性基区宽度，D_P为空穴扩散系数，i_mos为MOSFET沟道电流，C_bcj为基区-集电极耗尽层电容， Q_B为移动载流子基础电荷，其中，IGBT内部MOFET沟道电流i_mos表达式为：

式中，K_p为MOSFET跨导，V_T为门极导通阈值；

S15：计算V_CE的微分方程如下：

式中，V_CE为IGBT集电极-发射极电压，且有V_CE≈V_bc；

S16：计算到V_gs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V_Ta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V_Ta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V_Ta为1V、3V和5V时，IGBT导通与关断过程中集电极-发射极电压V_CE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，i_g为IGBT门级电流，i_Cgs为流过C_gs电容的电流，i_Cgd为流过C_gd电容的电流，C_gs为IGBT内部栅极-源极等效动态电容，C_gd为IGBT内部栅极-漏极等效动态电容，V_bc为IGBT基极-集电极电压，V_dc为IGBT漏极-集电极电压，V_ds为IGBT漏极-源极电压，V_dg为内部漏极-栅极电压，V_gs为栅极-源极电压；

S12:根据电容两端电压与电流关系，将电流i_Cgs、i_Cgd用端电压表示，公式为：

S13:计算V_gs的微分方程形式，公式为：

S14：建立IGBT内部集电极电流i_T公式如下：

i_T＝i_n+i_p； (4)

式中，i_p为电子电流，i_n为空穴电流，计算公式为：

式中，V_bs为IGBT基极-源极电压，其中V_bs＝V_ds，Q为基区过剩载流子电荷，W为准中性基区宽度，D_P为空穴扩散系数，i_mos为MOSFET沟道电流，C_bcj为基区-集电极耗尽层电容，Q_B为移动载流子基础电荷，其中，IGBT内部MOFET沟道电流i_mos表达式为：

式中，K_p为MOSFET跨导，V_T为门极导通阈值；

S15：计算V_CE的微分方程如下：

式中，V_CE为IGBT集电极-发射极电压，且有V_CE≈V_bc；

S16：计算到V_gs的微分方程如下：

4.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S2具体包括：

S21：建立IGBT老化情况下门极导通阈值电压V_Ta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V_Ta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：

5.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：

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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