絕緣柵雙極晶體管（IGBT）通常在復(fù)雜的電磁環(huán)境中運(yùn)行，然而，關(guān)于磁場干擾（MFI）對其性能和可靠性的影響的研究較少，尤其是在高功率應(yīng)用中。本文提出了一種結(jié)合計(jì)算磁學(xué)方法和電路建模技術(shù)的混合方法，用于研究突發(fā)脈沖磁場對IGBT模塊的干擾效應(yīng)。首先，通過等效電路模型表示IGBT模塊，隨后針對其易受干擾的區(qū)域進(jìn)行磁場仿真。仿真不同時(shí)間步長的磁場分布、渦流分布、磁通密度以及IGBT模塊中的溫升。此外，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真和建模分析的準(zhǔn)確性。相信這項(xiàng)研究將有助于理解IGBT模塊中的磁場干擾機(jī)制，特別是在高功率應(yīng)用中提升其可靠性和性能。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵角色，例如新能源汽車、儲能系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備。然而，IGBT在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中也容易受到電磁干擾的影響，約占報(bào)告故障的38%。鑒于復(fù)雜的操作條件，IGBT在復(fù)雜的電磁環(huán)境中容易受到電場和磁場的干擾。這些干擾可能導(dǎo)致設(shè)備故障或降低功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出功率質(zhì)量。因此，必須對IGBT性能或可靠性退化的干擾效應(yīng)進(jìn)行深入研究。

為了全面分析IGBT的開關(guān)瞬態(tài)過程以及MFI對其輸出電流的影響，我們采用了圖1所示的等效電路。該電路考慮了器件的固有參數(shù)以及影響IGBT開關(guān)特性的外部電路參數(shù)。具體來說，Ug表示柵極電壓，Rg_on表示柵極驅(qū)動(dòng)電阻，Rg_in表示內(nèi)部柵極等效電阻。此外，Lg、Lc和Le分別對應(yīng)于柵極電感、集電極電感和發(fā)射極電感，它們包括外部電路和器件封裝引入的電感。

值得注意的是，Le對柵極-發(fā)射極電壓uge具有反饋效應(yīng)，從而顯著影響IGBT的開關(guān)特性。Lc由兩部分組成：器件和電路板布線引入的集電極電感，以及由于母線路徑引起的電感。

IGBT的開關(guān)行為受到柵極-發(fā)射極電容Cge、柵極-集電極電容Cgc和集電極-發(fā)射極電容Cce的充放電動(dòng)態(tài)影響。此外，Re表示電路的寄生電阻。我們使用等效電容模型來簡化其非線性開關(guān)過程的描述。該綜合模型有助于定性分析MFI對IGBT性能的影響。IGBT中的MFI主要?dú)w因于寄生電感。在這里，我們考慮了IGBT電流在上升和下降兩個(gè)不同階段的演變。

A仿真結(jié)構(gòu)

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，環(huán)路導(dǎo)體對時(shí)域磁場的變化非常敏感，容易產(chǎn)生瞬態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢。如果感應(yīng)電動(dòng)勢的強(qiáng)度足夠高或包含電路敏感的頻率（如諧振頻率），這些瞬態(tài)可能會引起一定的干擾。上述分析表明，當(dāng)IGBT受到MFI影響時(shí)，輸出波形受到兩個(gè)電感Lc和Le的顯著影響。為了進(jìn)一步研究這種效應(yīng)，我們進(jìn)行了磁場仿真以進(jìn)行驗(yàn)證。

在仿真中，我們選擇了IGBT模塊模型GCP300GT120HBA2N作為示例。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，相應(yīng)的材料如表I所示。表II給出了干擾線圈的仿真參數(shù)。我們仿真主要關(guān)注的是檢查IGBT模塊中不同時(shí)間步長的磁場分布、渦流分布和磁通密度。

B求解器精度的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證我們開發(fā)的算法在時(shí)域有限元方法中的準(zhǔn)確性，我們對Team Workshop問題7進(jìn)行了建模和分析。計(jì)算模型由一個(gè)帶單孔的非對稱導(dǎo)體和一個(gè)激勵(lì)線圈組成，如圖3所示。這里，μ = 4π × 10^-7 H/m，即空氣的磁導(dǎo)率，σ = 3.625 × 10^7 S/m，對應(yīng)鋁的電導(dǎo)率。

在驗(yàn)證時(shí)域有限元方法用于磁場計(jì)算的準(zhǔn)確性測試中，應(yīng)用了頻率為50 Hz和200 Hz的正弦波輸入，步長分別為其周期的1/40。問題7經(jīng)過50次迭代后得到的結(jié)果如圖4所示。與實(shí)際測量結(jié)果的比較表明，在不同頻率下，計(jì)算結(jié)果與測量值之間具有很強(qiáng)的一致性。

C仿真MFI結(jié)果

在仿真過程中，干擾線圈的電感L設(shè)置為3 μH，電阻R設(shè)置為50 Ω。對于線圈干擾電路，我們有：

其中，V(t)是干擾電壓源。通過對上述方程應(yīng)用后向差分，可以推導(dǎo)出：

其中，n是時(shí)間步數(shù)，t是時(shí)間的離散間隔。

干擾波形選擇為雙指數(shù)脈沖。其離散時(shí)間間隔為5 ns?？傆?jì)算域包括空氣域R、激勵(lì)域（銅線圈）R0和IGBT模塊Rc?？諝庥騌的參數(shù)由μ0、ε0（非導(dǎo)電）表示，而激勵(lì)域R0包含電流密度J0。IGBT模塊的參數(shù)基于模塊內(nèi)的電感Lc和Le進(jìn)行配置。干擾線圈放置在模塊上方，直流輸入和輸出端子位于其下方。這種端子配置對雜散電感有顯著貢獻(xiàn)。為了簡化分析和仿真，我們忽略了對鍵合線的MFI考慮。

根據(jù)上述參數(shù)和仿真分析，IGBT模塊的結(jié)構(gòu)位置圖如圖5所示，磁場的時(shí)域仿真結(jié)果如圖6所示。干擾線圈位于IGBT模塊的頂部。當(dāng)線圈產(chǎn)生電磁脈沖時(shí)，它會在納秒級別的時(shí)間內(nèi)到達(dá)IGBT模塊，并在導(dǎo)體回路中感應(yīng)出電動(dòng)勢。根據(jù)安培環(huán)路定理，感應(yīng)電動(dòng)勢會導(dǎo)致感應(yīng)磁場的產(chǎn)生，從而使磁場暫時(shí)保留。如圖6所示，圖6(a)中的磁脈沖到達(dá)IGBT模塊，而圖6(b)和(c)中的磁脈沖逐漸減弱。IGBT由于磁脈沖的干擾而受到干擾，導(dǎo)致自生感應(yīng)磁場的出現(xiàn)，這在模塊的磁場中變得明顯，如圖6(d)所示。IGBT模塊中感應(yīng)出的渦流仿真結(jié)果如圖7所示。圖8展示了IGBT模塊內(nèi)磁通密度的分布。同時(shí)，IGBT模塊由于電磁干擾（EMI）而產(chǎn)生渦流，這會在模塊內(nèi)部產(chǎn)生輕微的局部溫升，如圖9所示。

該圖表明，時(shí)變磁場可以在IGBT模塊的各個(gè)區(qū)域中感應(yīng)出渦流，導(dǎo)體區(qū)域中的渦流幅度不同，尤其是在電源端子處表現(xiàn)出顯著的環(huán)路。盡管電源端子的末端沒有閉合的導(dǎo)體回路，但仍然觀察到顯著的渦流效應(yīng)。電源端子對時(shí)變磁場的敏感性意味著它可以通過端口耦合進(jìn)入電路，從而對輸出產(chǎn)生較大影響。