高功率应用中IGBT开关电路的突发脉冲磁场干扰效应研究
绝缘栅双极晶体管（IGBT）通常在复杂的电磁环境中运行，然而，关于磁场干扰（MFI）对其性能和可靠性的影响的研究较少，尤其是在高功率应用中。本文提出了一种结合计算磁学方法和电路建模技术的混合方法，用于研究突发脉冲磁场对IGBT模块的干扰效应。首先，通过等效电路模型表示IGBT模块，随后针对其易受干扰的区域进行磁场仿真。仿真不同时间步长的磁场分布、涡流分布、磁通密度以及IGBT模块中的温升。此外，通过实验验证了仿真和建模分析的准确性。相信这项研究将有助于理解IGBT模块中的磁场干扰机制，特别是在高功率应用中提升其可靠性和性能。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）在功率转换应用中扮演着关键角色，例如新能源汽车、储能系统和工业设备。然而，IGBT在功率转换系统中也容易受到电磁干扰的影响，约占报告故障的38%。鉴于复杂的操作条件，IGBT在复杂的电磁环境中容易受到电场和磁场的干扰。这些干扰可能导致设备故障或降低功率转换系统的输出功率质量。因此，必须对IGBT性能或可靠性退化的干扰效应进行深入研究。
为了全面分析IGBT的开关瞬态过程以及MFI对其输出电流的影响，我们采用了图1所示的等效电路。该电路考虑了器件的固有参数以及影响IGBT开关特性的外部电路参数。具体来说，Ug表示栅极电压，Rg_on表示栅极驱动电阻，Rg_in表示内部栅极等效电阻。此外，Lg、Lc和Le分别对应于栅极电感、集电极电感和发射极电感，它们包括外部电路和器件封装引入的电感。值得注意的是，Le对栅极-发射极电压uge具有反馈效应，从而显著影响IGBT的开关特性。Lc由两部分组成：器件和电路板布线引入的集电极电感，以及由于母线路径引起的电感。
IGBT的开关行为受到栅极-发射极电容Cge、栅极-集电极电容Cgc和集电极-发射极电容Cce的充放电动态影响。此外，Re表示电路的寄生电阻。我们使用等效电容模型来简化其非线性开关过程的描述。该综合模型有助于定性分析MFI对IGBT性能的影响。IGBT中的MFI主要归因于寄生电感。在这里，我们考虑了IGBT电流在上升和下降两个不同阶段的演变。
A.仿真结构
根据法拉第电磁感应定律，环路导体对时域磁场的变化非常敏感，容易产生瞬态感应电动势。如果感应电动势的强度足够高或包含电路敏感的频率（如谐振频率），这些瞬态可能会引起一定的干扰。上述分析表明，当IGBT受到MFI影响时，输出波形受到两个电感Lc和Le的显著影响。为了进一步研究这种效应，我们进行了磁场仿真以进行验证。
在仿真中，我们选择了IGBT模块模型GCP300GT120HBA2N作为示例。其结构如图2所示，相应的材料如表I所示。表II给出了干扰线圈的仿真参数。我们仿真主要关注的是检查IGBT模块中不同时间步长的磁场分布、涡流分布和磁通密度。
B.求解器精度的验证
为了验证我们开发的算法在时域有限元方法中的准确性，我们对Team Workshop问题7进行了建模和分析。计算模型由一个带单孔的非对称导体和一个激励线圈组成，如图3所示。这里，μ = 4π × 10^-7 H/m，即空气的磁导率，σ = 3.625 × 10^7 S/m，对应铝的电导率。
在验证时域有限元方法用于磁场计算的准确性测试中，应用了频率为50 Hz和200 Hz的正弦波输入，步长分别为其周期的1/40。问题7经过50次迭代后得到的结果如图4所示。与实际测量结果的比较表明，在不同频率下，计算结果与测量值之间具有很强的一致性。
C.仿真MFI结果
在仿真过程中，干扰线圈的电感L设置为3 μH，电阻R设置为50 Ω。对于线圈干扰电路，我们有：
其中，V(t)是干扰电压源。通过对上述方程应用后向差分，可以推导出：
其中，n是时间步数，t是时间的离散间隔。
干扰波形选择为双指数脉冲。其离散时间间隔为5 ns。总计算域包括空气域R、激励域（铜线圈）R0和IGBT模块Rc。空气域R的参数由μ0、ε0（非导电）表示，而激励域R0包含电流密度J0。IGBT模块的参数基于模块内的电感Lc和Le进行配置。干扰线圈放置在模块上方，直流输入和输出端子位于其下方。这种端子配置对杂散电感有显著贡献。为了简化分析和仿真，我们忽略了对键合线的MFI考虑。
根据上述参数和仿真分析，IGBT模块的结构位置图如图5所示，磁场的时域仿真结果如图6所示。干扰线圈位于IGBT模块的顶部。当线圈产生电磁脉冲时，它会在纳秒级别的时间内到达IGBT模块，并在导体回路中感应出电动势。根据安培环路定理，感应电动势会导致感应磁场的产生，从而使磁场暂时保留。如图6所示，图6(a)中的磁脉冲到达IGBT模块，而图6(b)和(c)中的磁脉冲逐渐减弱。IGBT由于磁脉冲的干扰而受到干扰，导致自生感应磁场的出现，这在模块的磁场中变得明显，如图6(d)所示。IGBT模块中感应出的涡流仿真结果如图7所示。图8展示了IGBT模块内磁通密度的分布。同时，IGBT模块由于电磁干扰（EMI）而产生涡流，这会在模块内部产生轻微的局部温升，如图9所示。
该图表明，时变磁场可以在IGBT模块的各个区域中感应出涡流，导体区域中的涡流幅度不同，尤其是在电源端子处表现出显著的环路。尽管电源端子的末端没有闭合的导体回路，但仍然观察到显著的涡流效应。电源端子对时变磁场的敏感性意味着它可以通过端口耦合进入电路，从而对输出产生较大影响。
