论文题目：基于IGBT的电力电子系统多时间尺度建模及其降阶方法研究
摘要：电力电子装置与系统是实现电能有效变换与利用的关键设备,面向经济社会发展的重大需求,大容量IGBT电力电子装置的分析与设计成为制约重大装备的关键理论与技术。另一方面,电力电子技术的快速发展、新材料与新器件技术的不断涌现使得IGBT迈向了高开关频率、大功率密度阶段。开关频率的急剧增加使得IGBT电力电子系统的瞬态电磁过程具有多时间尺度的特征,并由此带来了一些电路仿真与多物理场计算的热点问题,也是迄今为止尚未完全解决的难点。首先,优化换流回路是保证IGBT电力电子装置鲁棒性与可靠性的重要手段和技术。作为换流回路中最主要的母排的动态电磁性能分析和计算则是其优化设计的基础。而在当前工艺和信号频率下,传统的杂散参数提取方法和母排集中参数电路模型将不完全适用。所以建立适应当前信号频率的母排电路模型是母排优化设计亟待解决的关键理论和技术。其次,由于多时间尺度下的母排电路模型阶数较高,高阶电路模型的仿真求解给计算机的计算资源和计算时间带来巨大挑战。因此,需要探讨多时间尺度宽频电磁过程母排电路模型降阶理论与技术。第三,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是现代电力电子装置与系统的核心电力半导体器件。众所众知,动态性能的精确分析与计算是任何装置与系统优化设计前提,也是IGBT优化设计的理论与技术基础。结温是衡量IGBT可靠性的关键参数之一,过高的结温是引起IGBT失效的主要应力之一。因此,亟需解决IGBT的动态温度场的计算模型和计算方法。同时,IGBT的温度场与涡流场既相互耦合又相互影响。然而,复杂三维瞬态多物理场的数值计算模型规模巨大,其求解需要庞大的计算资源和计算时间。所以研究多时间尺度下具有宽频特性的三维瞬态场模型降阶技术具有重要的理论意义和工程应用价值。有鉴于此,为解决我国大容量电力电子系统开发设计中的关键理论和技术,结合国家自然科学基金重大课题“多时间尺度下大容量电力电子混杂系统运行匹配规律研究”,本文重点解决IGBT电力电子系统多时间尺度建模及其降阶技术。主要研究内容和成果如下:1、提出了多时间尺度下考虑不确定性的母排优化建模方法。不同频率下,母排（互连线）的杂散参数不同:杂散电阻随着频率的升高而增大,杂散电感随着频率的升高而减小。电力电子系统开关暂态过程是宽频信号,因而基于商用软件提取的单一频率的杂散参数并不能准确反映实际开关暂态过程中的母排杂散参数。另一方面,应用多段等效电路建模时,段数越多,仿真结果的精度也越高,可是随之而来所需要的计算资源也越大,所以母排建模需要兼顾精度和计算复杂性要求。换言之,IGBT电力电子母排开关暂态过程的等效电路建模是一个典型的不确定性问题。为此,本文提出了多时间尺度下考虑不确定性的母排优化建模方法。本文母排模型采用多段杂散参数电路模型,借助于优化算法确定模型的段数和参数,实现了计算精度与计算复杂性的平衡。2、提出了自适应宽频SPRIM降阶理论和算法。为考虑极小时间尺度下线路中杂散参数的影响,电力电子系统,尤其是作为核心组成部分的母排,必须采用分布参数（高阶）电路模型进行分析和计算。而高阶电路模型的仿真求解给计算机的计算资源和计算时间带来巨大挑战。故,模型降阶成为解决大规模互连电路（母排）分析的关键技术。与其他降阶方法相比,基于块Arnoldi方法的Structure-Preserving Reduced-order Interconnect Macromodeling（SPRIM）算法具有精度高,保持无源性和保持块结构的优点。但是对于宽频响应,SPRIM算法的降阶性能尚不能满足工程分析与计算的要求。为此,本文提出了针对互连电路分析的自适应宽频SPRIM降阶算法。在传统SPRIM算法的基础上引入激励信号分析机制来进行展开点s0的自适应选取,通过分析激励信号的频率成分,按照成分（频率所在数量级的幅值）从多到少依次选择相对应的展开点,并引入了误差控制规则,实现了以极小阶电路模型精确计算IGBT系统宽频动态响应特性的目标。3、提出了保持输入输出结构的SPRIM算法。基于SPRIM算法的降阶系统虽然保持了原始系统的块结构,但却不能保持输入输出关联矩阵的结构,因此在相应的电路模型中引入受控源。为克服传统SPRIM算法不能保持输入输出关联矩阵的不足,本文提出了一种改进的SPRIM算法。本文算法首先重新组织改进的节点方程（MNA）,然后将传统 SPRIM 算法与 Input-Output structure Preserving Order Reducti on（IOPOR）算法相结合,进而求得一种可以保持原有系统输入输出关联矩阵的投影矩阵。最后,给出了本文模型和算法的典型应用实例。数值分析与计算结果证明了本文模型和算法的正确性与有效性。4、提出了基于块Arnoldi算法的多点矩匹配降阶算法。数值方法（有限元法、有限差分法等）计算多物理场的基本原理是通过一定的数学处理,将连续域偏微分方程的定解问题转化为离散的大型代数方程组进行求解。由于复杂三维多物理场问题的代数方程组的阶数十分巨大,其分析、计算需要占用庞大的存储空间和计算机CPU。因此,一般很难直接应用数值计算方法有效解决工程多物理场的分析和计算。为此,大型代数方程组（模型）降阶理论和算法成为近年多物理场数值计算研究的热点之一。有鉴于此,为考虑IGBT瞬态多物理场动态响应的“宽频”特征,本文提出了一种改进的基于块Arnoldi算法的多点矩匹配降阶算法。本文的改进多点矩匹配降阶算法源于经典的块Arnoldi算法,通过自适应选择展开点、自动匹配每个展开点的矩、构造基于多物理场响应的误差估计器。最后将前述算法应用于网络拓扑热场数值计算模型,以简单（降阶）模型精确计算了典型IGB T系统宽频三维温度动态响应。5、探讨了 IGBT电力电子系统多时间尺度三维涡流场的有限元-电路耦合模型和及其求解策略。众所周知,IGBT开关速度的持续提高使得对应的电力电子系统的动态电磁过程越发复杂,时间尺度也从毫秒级上升到微秒级直至纳秒级。已如前述,在微秒至纳秒时间尺度下,不仅系统中的杂散参数的影响十分明显,位移电流、集肤效应和邻近效应等的作用也将不可忽略。为计及上述综合因素的影响,本文研究了 IGBT电力电子系统极小时间尺度动态电磁场计算的涡流场-分布参数等效电路耦合模型。在耦合模型中,对IGBT本体、引线等关键部分,采用三维涡流场计算模型以计及位移电流和高频电磁场的邻近效应;对整个IGBT电力电子系统,则应用高阶电路模型以考虑线路杂散参数的影响。由于涡流场和高阶电路模型相互耦合、相互影响,提出了耦合计算模型顺序求解的一种迭代求解策略。此外,将前述的模型降阶算法应用于系统的高阶电路模型以提高整个模型的计算效率。最后,给出了典型IGBT系统动态电磁过程的数值分析与计算结果。
关键词：IGBT;母排;杂散参数;建模;模型降阶;温度场
学科专业：电气工程
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景
1.1.1 研究意义
1.1.2 研究现狀
1.2 本文的主要研究内容
第2章 考虑不确定性的IGBT电力电子母排优化建模研究
2.1 互连线模型理论
2.1.1 麦克斯韦方程俎的一般形式
2.1.2 麦克斯韦方程的近似形式
2.1.3 互连线模型
2.2 互连线参数计算
2.2.1 杂散参数计算方法
2.2.2 本文杂散参数计算、提取方法
2.3 考虑不确定性的IGBT电力电子母排优化建模
2.3.1 分布参数电路的不确定性
2.3.2 考虑不确定性的母排优化建模
2.4 IGBT电力电子母排优化建模实例
2.5 本章小结
第3章 适用于电力电子系统高阶电路模型的改进矩匹配类降阶算法
3.1 模型降阶理论
3.1.1 RLC电路的数学模型
3.1.2 模型降阶的基本思想
3.1.3 投影降阶的基本原理
3.2 RLC电路矩匹配模型降阶方法
3.2.1 AWE方法
3.2.2 Krylov子空间及Arnoldi和Lanczos过程
3.2.3 PVL方法
3.2.4 PRIMA方法
3.2.5 SPRIM方法
3.3 改进的SPRIM降阶算法
3.4 自适应宽频SPRIM算法
3.5 IGBT电力电子母排模型降阶实例
3.5.1 基于保持输入输出结构的SPRIM算法
3.5.2 基于自适应宽頻SPRIM算法
3.6 本章小结
第4章 适用于电力电子系统多物理场计算的大型代数方程俎的改进矩匹配类降阶算法
4.1 三维瞬态场模型及多点矩匹配降阶算法
4.1.1 三维瞬态温度场数值计算模型
4.1.2 适用于三维瞬态场数值模型的矩匹配方法
4.1.3 多点矩匹配法
4.2 基于块Arnoldi算法的改进多点矩匹配降阶算法
4.3 IGBT温度场应用算例
4.4 本章小结
第5章 IGBT电力电子系统多时间尺度三维涡流场-分布参数电路耦合模型和计算方法
5.1 系统宽頻动态电磁过程的场-路耦合模型
5.1.1 涡流场控制方程
5.1.2 IGBT本体数学模型
5.1.3 叠层母排模型
5.2 场-路耦合求解策略
5.3 IGBT电力电子系统电磁过程计算实例
5.3.1 IGBT本体的电磁过程
5.3.2 母排的电磁过程
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 主要创新点与结论
6.2 后续研究工作展望
参考文献