絕緣柵雙極晶體管（IGBT）通常在復雜的電磁環境中運行，然而，關于磁場干擾（MFI）對其性能和可靠性的影響的研究較少，尤其是在高功率應用中。本文提出了一種結合計算磁學方法和電路建模技術的混合方法，用于研究突發脈沖磁場對IGBT模塊的干擾效應。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域進行磁場仿真。仿真不同時間步長的磁場分布、渦流分布、磁通密度以及IGBT模塊中的溫升。此外，通過實驗驗證了仿真和建模分析的準確性。相信這項研究將有助于理解IGBT模塊中的磁場干擾機制，特別是在高功率應用中提升其可靠性和性能。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在功率轉換應用中扮演著關鍵角色，例如新能源汽車、儲能系統和工業設備。然而，IGBT在功率轉換系統中也容易受到電磁干擾的影響，約占報告故障的38%。鑒于復雜的操作條件，IGBT在復雜的電磁環境中容易受到電場和磁場的干擾。這些干擾可能導致設備故障或降低功率轉換系統的輸出功率質量。因此，必須對IGBT性能或可靠性退化的干擾效應進行深入研究。

為了全面分析IGBT的開關瞬態過程以及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以及影響IGBT開關特性的外部電路參數。具體來說，Ug表示柵極電壓，Rg_on表示柵極驅動電阻，Rg_in表示內部柵極等效電阻。此外，Lg、Lc和Le分別對應于柵極電感、集電極電感和發射極電感，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-發射極電壓uge具有反饋效應，從而顯著影響IGBT的開關特性。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的開關行為受到柵極-發射極電容Cge、柵極-集電極電容Cgc和集電極-發射極電容Cce的充放電動態影響。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主要歸因于寄生電感。在這里，我們考慮了IGBT電流在上升和下降兩個不同階段的演變。

A仿真結構

根據法拉第電磁感應定律，環路導體對時域磁場的變化非常敏感，容易產生瞬態感應電動勢。如果感應電動勢的強度足夠高或包含電路敏感的頻率（如諧振頻率），這些瞬態可能會引起一定的干擾。上述分析表明，當IGBT受到MFI影響時，輸出波形受到兩個電感Lc和Le的顯著影響。為了進一步研究這種效應，我們進行了磁場仿真以進行驗證。

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

B求解器精度的驗證

為了驗證我們開發的算法在時域有限元方法中的準確性，我們對Team Workshop問題7進行了建模和分析。計算模型由一個帶單孔的非對稱導體和一個激勵線圈組成，如圖3所示。這里，μ = 4π × 10^-7 H/m，即空氣的磁導率，σ = 3.625 × 10^7 S/m，對應鋁的電導率。

在驗證時域有限元方法用于磁場計算的準確性測試中，應用了頻率為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經過50次迭代后得到的結果如圖4所示。與實際測量結果的比較表明，在不同頻率下，計算結果與測量值之間具有很強的一致性。

C仿真MFI結果

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

其中，V(t)是干擾電壓源。通過對上述方程應用后向差分，可以推導出：

其中，n是時間步數，t是時間的離散間隔。

干擾波形選擇為雙指數脈沖。其離散時間間隔為5 ns?？傆嬎阌虬諝庥騌、激勵域（銅線圈）R0和IGBT模塊Rc?？諝庥騌的參數由μ0、ε0（非導電）表示，而激勵域R0包含電流密度J0。IGBT模塊的參數基于模塊內的電感Lc和Le進行配置。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。為了簡化分析和仿真，我們忽略了對鍵合線的MFI考慮。

根據上述參數和仿真分析，IGBT模塊的結構位置圖如圖5所示，磁場的時域仿真結果如圖6所示。干擾線圈位于IGBT模塊的頂部。當線圈產生電磁脈沖時，它會在納秒級別的時間內到達IGBT模塊，并在導體回路中感應出電動勢。根據安培環路定理，感應電動勢會導致感應磁場的產生，從而使磁場暫時保留。如圖6所示，圖6(a)中的磁脈沖到達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，導致自生感應磁場的出現，這在模塊的磁場中變得明顯，如圖6(d)所示。IGBT模塊中感應出的渦流仿真結果如圖7所示。圖8展示了IGBT模塊內磁通密度的分布。同時，IGBT模塊由于電磁干擾（EMI）而產生渦流，這會在模塊內部產生輕微的局部溫升，如圖9所示。

該圖表明，時變磁場可以在IGBT模塊的各個區域中感應出渦流，導體區域中的渦流幅度不同，尤其是在電源端子處表現出顯著的環路。盡管電源端子的末端沒有閉合的導體回路，但仍然觀察到顯著的渦流效應。電源端子對時變磁場的敏感性意味著它可以通過端口耦合進入電路，從而對輸出產生較大影響。