随着电力电子技术和功率半导体器件技术的发展,大量电力电子装置应用于新能源、电磁发射、航空航天、高铁、舰船电力推进以及电力传输等需要进行能量变换的领域。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)功率模块作为大容量电力电子装之中使用最为广泛的电力电子开关器件,其工作特性也深受器件制造厂商和电力电子系统设计人员的广泛关注。建立一个能够准确描述IGBT工作特性的模型,能够更好地帮助研究人员了解IGBT在不同工况(导通、关断、开关瞬态等)下的运行特性,从而指导器件制造,以及电力电子装置的设计。如何根据所研究的问题和对象选择合适的IGBT物理模型,一直以来都是从事该方面工作的科研人员面临的棘手问题。针对众多现有IGBT物理模型之间的相互关系、区别,以及各自的优缺点缺乏系统总结归纳的问题,本文从模型物理方程采用的数学求解方式入手,提出根据数学求解方法的不同将IGBT物理模型分为四类:形函数模型,空间变换模型,时间变换模型,以及集总电荷模型,为IGBT物理建模方法的研究和选取提供理论指导。针对大功率IGBT物理模型及其并联组合建模的研究目的,本文选择集总电荷建模方法作为IGBT物理模型建模的基本方法。这主要是由于集总电荷建模方法不采用大注入假设,对空穴电流和电子电流分别单独计算,同时还能表征基区载流子在不同工况下的分布特性,具有仿真速度快收敛性好,物理意义明晰,所需参数少等优点。针对传统集总电荷模型存在仿真精度相对较低的问题,本文基于传统集总电荷建模方法的数学原理,从模型方程推导逻辑和模型仿真计算逻辑两个层面分别研究分析了模型误差来源。在此基础上,采用分布式区域电荷重新表征集总电荷量,并建立了新的电流输运方程和电荷控制方程。从而有针对性地改进了传统方法的不足,提出一种仿真精度更高的新集总电荷建模方法,并与传统方法进行了仿真和实验对比。针对高压大功率IGBT芯片使用的场终止型结构,漂移区载流子二维分布效应等芯片具体工艺和结构,提出应用集总电荷建模方法建立能够表征其电气特性的物理模型。为了优化IGBT在高压大电流工况下的工作特性,生产厂商使用不同的技术来改善IGBT芯片结构。本文从半导体器件工作的物理机理着手,以3.3kV/1500A IGBT模块为例,分别建立了以ABB公司和英飞凌公司为代表的两种典型芯片结构的集总电荷物理模型。针对高压大功率IGBT模块在阻断电压穿通(PT)和非穿通(NPT)工况下工作特性不同的问题,应用场终止型结构的IGBT物理模型分别表征了这两种工作特性,并进行了仿真和实验验证。针对IGBT并联瞬态不均流问题,提出应用本文建立的集总电荷物理模型,建立能够用于分析参数不匹配条件下IGBT并联瞬态不均流问题的等效电路模型。并联是满足系统对电流等级要求的有效途径,IGBT从元胞到芯片,再到功率模块的应用,存在着各种各样的并联问题,建立能够分析和量化表征这些问题的电路模型有着重要意义。本文针对某型20MW推进变频器实际工程应用中存在的IGBT模块并联端口瞬态不均流问题,结合理论分析和对比试验查明原因。研究了瞬态不均流表征量di/dt同IGBT自身特性与工作电路参数的互动机理,通过分布杂散参数提取,应用集总电荷物理模型建立了IGBT并联组合的等效仿真电路模型,实现高压大功率IGBT模块并联功率端口瞬态不均流特性的定量表征,并进行了实验验证。针对大功率IGBT工作在短路等芯片温度变化较大的极端工况下,基于电热联合仿真的建模思想,提出应用IGBT集总电荷模型和RC热网络模型建立PSpice-Simulink电热联合仿真模型,实现了高压大功率IGBT并联组合在短路工况下的瞬态不均流特性的定量表征,并进行了实验验证。针对IGBT集总电荷模型应用问题,提出了一套适用于IGBT物理模型及其并联组合仿真分析的模型和实验电路参数提取方法。IGBT物理模型的仿真计算精度高度依赖于模型参数的提取,一直以来参数提取对其应用都是一个巨大挑战。本文首先将IGBT物理模型仿真参数分为两类:一类是IGBT模块结构参数,主要通过观测法进行提取。另一类为IGBT芯片内部物理参数,主要通过理论计算、逆向工程和实验相结合的手段进行提取。提取后的参数作为模型初始参数,根据IGBT多工况下的实验结果进行了进一步的优化。最后,为进行电路仿真还对IGBT工作电路杂散参数进行了提取。本文的主要工作是IGBT集总电荷模型的建模理论研究,为大功率IGBT物理建模工作奠定了理论基础,并对模型在IGBT并联组合仿真的应用进行了探索,推动了IGBT物理模型在指导电力电子装置设计和问题分析方面的应用。