[发明专利]一种高压大功率晶闸管电热模型的建立方法

摘要

本发明涉及一种高压大功率晶闸管电热模型的建立方法和仿真方法，本发明首先根据有限元方法，计算并建立了晶闸管的热阻抗模型，并通过恒等变换表达为Foster网络热阻抗模型，随后运用数学方法建立晶闸管等效电气模型。损耗Pave(t)由开通正向压降Vtm和工作电流I_A决定。通过连接开通正向压降Vtm、工作电流I_A、损耗Pave(t)和结温T_J等变量之间的关系，建立晶闸管的电热模型，然后在Pspice软件上进行仿真。本发明的模型，包含热力学和电学模型，能提供发热和电气参数之间的动态关系，可以用来仿真晶闸管瞬态和稳态结温变化，预测晶闸管是否工作在安全区；也可以用来仿真正弦半波浪涌电流冲击下结温的变化，预测晶闸管的失效与否。

主权项

1、一种高压大功率晶闸管电热模型的建立方法，其特征在于：首先根据运用有限元方法求解热传导双极扩散方程，计算并建立晶闸管的热阻抗模型：$Z_{\mathrm{thJC}}\left(t\right)=\frac{T_j\left(t\right)-T_c\left(t\right)}{P}$式中Tj(t)表示t时刻晶闸管的结温，Tc(t)表示t时刻晶闸管的壳温，P表示晶闸管热功耗；通过数据处理得到晶闸管的Foster网络热阻抗模型，Foster网络热阻抗模型以热阻和热容并联，再一起串联的形式来表示瞬态热阻，该热阻抗模型结构简单，计算速度快，且方便实现了与电学模型耦合仿真；随后根据半导体中电子与空穴的流动机理，运用数学方法建立晶闸管等效电气模型，正向开通压降Vtm(t)＝f(IA(t)，Tj(t))，Vtm值的大小由工作电流IA和结温TJ决定，模型公式如下：$V_T=R_s\·{\left(\frac{T}{T_{\mathrm{ref}}}\right)}^{\mathrm{krs}}\·I_A+n\·\frac{k\·T}{e}\·\mathrm{In}\left[\frac{I_A+I_s}{I_s}\right]+V_0$式中n为发射系数；T为热力学温度，即结温；Rs为高注入调节下虚拟电阻；Tref为参考温度，通常为300K；Krs串联电阻温度指数，V0为电压常量，k为波尔兹曼常数，e为电子电量，In表示自然对数函数；损耗Pave(t)由开通正向压降Vtm、工作电流IA和工作时间决定，模型公式如下：Pave(tk)＝E(tk)/tktk表示时间，结温TJ模型公式如下：Tj(t)＝Pave(t)*Zth(t)+Tcase(t)其中Tcase取等于散热器表面温度，Zth(t)表示t时刻晶闸管的热阻抗；通过连接开通正向压降Vtm、工作电流IA、损耗Pave(t)和结温TJ等变量之间的关系，建立晶闸管的电热模型，该模型包含了热力学和电学模型，能提供发热和电气参数之间的动态关系，可以用来仿真晶闸管瞬态和稳态的结温变化，预测晶闸管是否工作在安全区，还可以用来仿真正弦半波浪涌电流冲击下结温的变化，预测晶闸管的失效与否。