高压大功率IGBT器件是柔性直流输电装备的核心器件，是支撑规模化新能源汇集和输送以及构建新型电力系统的基础。面向未来新型电力系统应用场景，柔性直流输电装备运行工况复杂多样，不同工况下（如稳态、短路、浪涌等）高压大功率IGBT器件应力差异较大，对器件的可靠性要求较高。因此，在高压大功率IGBT器件研制和应用过程中，需要对器件暂稳态过程进行准确建模，掌握不同工况下器件的综合特性。然而，器件内部并联芯片内部载流子特性准确表征困难，且封装与芯片之间存在交互作用，给不同工况下器件高精度建模带来了极大挑战。因此，亟需开展高压大功率IGBT器件暂稳态工况下内部载流子分布特性分析以及建模方法研究，为高压大功率IGBT器件研制及工程可靠应用提供理论支撑。

赵志斌教授课题组围绕柔性直流输电稳态、暂态工况下的高压大功率IGBT器件建模难题，深入分析了不同工况下器件内部载流子物理过程及电热特性，提出了适用于IGBT器件开关过程模拟的高精度电路模型、适用于柔直换流阀组件内IGBT器件直通短路的暂态模型及器件内二极管浪涌电热特性仿真模型，所提器件开关模型在不同电压电流条件下的最大损耗误差不超过12.5%，精度远优于现有模型（误差大于25%）；且通过所提暂态IGBT器件模型及二极管电热仿真模型，认知了器件内部载流子分布规律，并发现了IGBT器件新的短路失效模式及二极管浪涌失效封装薄弱环节，支撑了器件的研制及封装结构优化。相关研究成果为国产高压大功率IGBT器件的研制及柔性直流输电装备应用提供了支撑。

IGBT器件开关过程模拟的有限状态机模型及实验验证

器件直通短路模型计算结果与实验测量波形对比    短路关断瞬态器件内部载流子及碰撞电离率分布

器件内部二极管浪涌条件下芯片温度仿真及红外拍摄结果

相关成果持续发表在国际权威期刊上，其中2023年针对IGBT器件开关过程及短路工况的相关成果“Transient Analytical Model of High-Voltage and High-Power IGBT Device Based on Nondual Relationship for the Switching Process” 和“Short-Circuit Behavior and Voltage redistribution of IGBTs in Bridge Structures”发表在国际顶级一区SCI期刊IEEE Transactions on Power Electronics上，新能源电力系统全国重点实验室是论文通讯单位。

该研究工作得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目以及国家电网公司项目等资助。

Reference：

[1]Yixuan Yang, Zhibin Zhao, Cheng Peng, Xuebao Li, Zhiyu Sun, Xiang Cui. An Improved Behavioral Model for High-voltage and High-power IGBT Chips[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, vol. 9, no. 1, pp. 284-292, 2023.

[2]Bin Hao, Yixuan Yang, Xiling Tang, Zhibin Zhao. Transient Analytical Model of High-Voltage and High-Power IGBT Device Based on Nondual Relationship for the Switching Process[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 38, no. 3, pp. 2827-2832, 2023.

[3]Yixuan Yang, Yilin Wu, Xuebao Li, Zhibin Zhao, Junchuan Zhou, Zhiyuan He, Xiang Cui, Guangfu Tang. Short-Circuit Behavior and Voltage redistribution of IGBTs in Bridge Structures[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2023, vol. 38, no. 3, pp. 3824-3833, 2023.

[4]Hao B, Wu Y, et al. “Modelling and solving of IGBT‘s transient analysis model based on the finite state machine”. IET Power Electronics, vol. 14, pp. 1973-1984, July 2021.

初审：赵志斌、李学宝

审核：崔翔、齐磊