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(chǎng)干擾（MFI）對(duì)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(chǎng)對(duì)IGBT模塊的干擾效應(yīng)。首先，通過(guò)等效電路模型表示IGBT模塊，隨后針對(duì)其易受干擾的區(qū)域進(jìn)行磁場(chǎng)仿真。仿真不同時(shí)間步長(zhǎng)的磁場(chǎng)分布、渦流分布、磁通密度以及IGBT模塊中的溫升。此外，通過(guò)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(chǎng)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(chē)、儲(chǔ)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(duì)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(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程以及MFI對(duì)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(kāi)關(guān)特性的外部電路參數(shù)。具體來(lái)說(shuō)，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(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)特性。Lc由兩部分組成：器件和電路板布線(xiàn)引入的集電極電感，以及由于母線(xiàn)路徑引起的電感。

IGBT的開(kāi)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(lái)簡(jiǎn)化其非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)過(guò)程的描述。該綜合模型有助于定性分析MFI對(duì)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(duì)時(shí)域磁場(chǎng)的變化非常敏感，容易產(chǎn)生瞬態(tài)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(huì)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(chǎng)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(xiàn)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(zhǎng)的磁場(chǎng)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(kāi)發(fā)的算法在時(shí)域有限元方法中的準(zhǔn)確性，我們對(duì)Team Workshop問(wèn)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(duì)稱(chēng)導(dǎo)體和一個(gè)激勵(lì)線(xiàn)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(duì)應(yīng)鋁的電導(dǎo)率。

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

C仿真MFI結(jié)果

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

其中，V(t)是干擾電壓源。通過(guò)對(duì)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。總計(jì)算域包括空氣域R、激勵(lì)域（銅線(xiàn)圈）R0和IGBT模塊Rc。空氣域R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(xiàn)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(duì)雜散電感有顯著貢獻(xiàn)。為了簡(jiǎn)化分析和仿真，我們忽略了對(duì)鍵合線(xiàn)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(chǎng)的時(shí)域仿真結(jié)果如圖6所示。干擾線(xiàn)圈位于IGBT模塊的頂部。當(dāng)線(xiàn)圈產(chǎn)生電磁脈沖時(shí)，它會(huì)在納秒級(jí)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(shì)。根據(jù)安培環(huán)路定理，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生，從而使磁場(chǎng)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(chǎng)的出現(xiàn)，這在模塊的磁場(chǎng)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(huì)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(chǎng)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(méi)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(duì)時(shí)變磁場(chǎng)的敏感性意味著它可以通過(guò)端口耦合進(jìn)入電路，從而對(duì)輸出產(chǎn)生較大影響。