IGBT模型總結(jié)

1、I. IGBT器件模型的研究背景：實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)在汽車，航天，電子和機(jī)械制造中得到了廣泛的應(yīng)用， 其中一 個(gè)應(yīng)用最廣泛的就是硬件在回路。在電壓型變流器的仿真中， IGBT的建模是一 個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。特別是模型要考慮到非線性的開(kāi)關(guān)特性，電感損耗和反并聯(lián)二 極管的回復(fù)特性。IGBT的離線仿真模型可以劃歸為兩類：系統(tǒng)級(jí)和器件級(jí)。系統(tǒng)級(jí)的仿真模型主要包含的是電力電子期間的一些如關(guān)斷電壓，電流諧波等電氣特性，如在MATLAB/SIMULINK 等軟件使用的模型。這些工具利用有限 元數(shù)值計(jì)算如梯形積分公式，建立器件常用的離散模型。通?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè) 開(kāi)關(guān)模型：1.理想模型；2.開(kāi)關(guān)函數(shù)模型；3.平均模型。

2、所有三種模型在實(shí)時(shí)仿 真中都有使用，并且通過(guò)一些算法在DSP和PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，如通過(guò)自動(dòng)預(yù)測(cè)下變 流器下一狀態(tài)來(lái)減小仿真時(shí)間。雖然，系統(tǒng)級(jí)的模型仿真速度比較快，但是反應(yīng) 器件的非線性不夠準(zhǔn)確。器件級(jí)的模型中，主要內(nèi)容包括開(kāi)關(guān)的暫態(tài)特性，功率損耗，和器件的發(fā)熱 特性。SABER和SPICE系列軟件都是通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算如 Newton-Raphson 或者Katzenelson方法來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的非線性特性。器件級(jí)的模型十分全面，但是 仿真時(shí)間較長(zhǎng)。通?？梢詣澐譃橐幌氯齻€(gè)模型：1.分析模型；2.經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?.有限元數(shù)值模型。這三種模型由于計(jì)算復(fù)雜，沒(méi)有一種運(yùn)用到實(shí)時(shí)仿真中。其中， 分析模型是基于器件描

3、述載流子動(dòng)態(tài)的半導(dǎo)體物理特性。在這種模型中，最具代表的是Hefner模型和Kraus模型，并且已經(jīng)在 SABER和SPICE中所使用。在 動(dòng)作模型中，IGBT的相關(guān)開(kāi)關(guān)特性通過(guò)不同的方法表示出來(lái)，并且這種方法已 經(jīng)在離線的仿真工具EMTP中比較準(zhǔn)確的使用。但是，為了能夠在傳統(tǒng)的DSP上使用，這種模型仍然需要更小的仿真步長(zhǎng)。II.系統(tǒng)級(jí)的仿真模型2.1理想模型引用來(lái)自論文： Behavior-Mode Simulation of Power Electronic CircuitsI圖1. IGBT的伏安特性曲線IDSkOnOff0A圖2. IGBT的理想開(kāi)關(guān)狀態(tài)比如，對(duì)于三相逆變器來(lái)說(shuō)+1“ J

4、 X1、3 f 5*b1 Tfc,ia ,4Vdc .上上、r j.-圖3.三相逆變器電路拓?fù)淙嚯妷盒湍孀兤鹘Y(jié)構(gòu)如圖3中所示，由6支IGBT及其反并聯(lián)二極管構(gòu)成， 引入A, B, C橋臂的開(kāi)關(guān)變量Sa、8、Sc (Si 1表示上橋臂導(dǎo)通，Si 0表示 該下橋臂導(dǎo)通，i=a,b,c)。每個(gè)橋臂輸出端的電壓可以用各橋臂的開(kāi)關(guān)變量和直流側(cè)電壓Udc表示：Uko SkUdc ; k a,b,c(1)Ukn Uko Uno(k a,b,c),其中，。1/3 ”。比。為。，推到可得：Uan211 Sa1Ubn3 Udc 1 21 Sb(2)Ucn1 1 2 Sc在理想模型中，開(kāi)關(guān)的暫態(tài)和二極管的反向恢復(fù)

5、都被忽略。并且，緩沖電路和雜散分量都可以忽略。用線性等式代替器件的非線性開(kāi)關(guān)特性(用圖2所示的理想狀態(tài)替代圖1中的實(shí)際曲線)，這樣加速了仿真的時(shí)間和減小了收斂性問(wèn)題。 由于不需要額外的電路模擬，理想模型是最常用的。但是，由于在仿真過(guò)程中， 由于每一個(gè)開(kāi)關(guān)都是單獨(dú)處理，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的不同將會(huì)導(dǎo)致不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這樣, 需要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，特別是高頻電路。2.2開(kāi)關(guān)函數(shù)模型引用來(lái)自論文： Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits在這種方法中，一個(gè)開(kāi)關(guān)變流電路被一個(gè)只有可控電壓源和電流源的電路替 代，描述變流器外部動(dòng)作。+%千 Conv

6、erter voB電壓源輸入等效電路 圖3.電壓源輸入B.電流源輸入等效電路 圖4.電流源輸入輸入，輸出的關(guān)系為: 當(dāng)輸入為電壓源時(shí)：當(dāng)輸入為電流源時(shí)V0f(t) Vin(t)Ving(t) Vo(t)(1)Vinf(t) %Vo(t)g(t) Vn其中，f(t)和g(t)為開(kāi)關(guān)函數(shù)，在很多情況下,f(t)和g可以相互推出比如，對(duì)于三相電壓源型逆變器來(lái)說(shuō)A.逆變器電路B.開(kāi)關(guān)函數(shù)模型圖5.三相逆變器電路拓?fù)淙嚯妷盒湍孀兤鹘Y(jié)構(gòu)如圖5中所示，由6支IGBT及其反并聯(lián)二極管構(gòu)成，引IGBT的開(kāi)關(guān)變量Si ( § 1表示IGBT導(dǎo)通，S 1表示IGBT關(guān)斷，i=1,3,5)。仿真用開(kāi)關(guān)函數(shù)

7、與理想模型相比，仿真更快，并且可以得到和理想模型的相同結(jié)果，在高頻開(kāi)關(guān)電路中仍然適用。但是，由于不存在單獨(dú)的開(kāi)關(guān)，不太可能 模擬檢測(cè)出每個(gè)開(kāi)關(guān)的電壓和電流， 而且如果考慮觸發(fā)脈沖的死區(qū)時(shí)間， 開(kāi)關(guān)函 數(shù)就更不容易實(shí)現(xiàn)。3.3平均模型引用來(lái)自論文： Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits在理想模型和開(kāi)關(guān)函數(shù)模型中，電路如果處于高頻狀態(tài)，如果進(jìn)一步加速仿 真速度，那么開(kāi)關(guān)函數(shù)模型可以通過(guò)忽略開(kāi)關(guān)影響。也就是說(shuō)，只有低頻的開(kāi)關(guān) 分量被考慮，其它的高頻分量被忽略。比如在如下的Buck電路中后圖6. Buck主電路開(kāi)關(guān)函數(shù)f(t)變?yōu)橐?/p>

8、個(gè)直流常量，并且Buck電路輸出沒(méi)有諧波含量在另一篇論文：Generalized Average Modelling of FACTS for Real Time Simulation In ARENE 中，作者對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)。平均模型只考慮系統(tǒng)不同狀態(tài)的平均值，模型比實(shí)際模型更加簡(jiǎn)單。可以通 過(guò)下列式子計(jì)算：1t,x T Tx( )d (1)但是，這種平均模型的局限性是對(duì)所有的系統(tǒng)模型并不適用。比如，對(duì)于離散的情況下，如果系統(tǒng)的平均值為 0,這種方法就不再適用。通用平均模型(The Generalized Average Modelling可以通過(guò)傅里葉變換很 好的解決這個(gè)問(wèn)題。x(t

9、) x k ejk t(2)其中，x k(t) T tTx( )e jktd(3)這樣，可以得出系統(tǒng)不同的諧波。并且，當(dāng) k=0時(shí)，就是式子1中的平均模型III.器件級(jí)模型3.1 分析模型；這類模型主要基于求解半導(dǎo)體物理方程，得到器件一定條件下載流子分布和 電流分布的表達(dá)式。其中，最具代表性的是 Hefner研究和開(kāi)發(fā)的IGBT以為全 數(shù)值點(diǎn)和控制模型。Hefner 模型：弓 I用論文來(lái)自：An analytical model for the steady-state andtransient characteristics of the power insulated-gate bipol

10、ar transistor.3.2 .經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；在?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校琁GBT的相關(guān)開(kāi)關(guān)特性通過(guò)不同的方法表示出來(lái)，并且這種 方法已經(jīng)在離線的仿真工具 EMTP中比較準(zhǔn)確的使用。這類模型完全拋開(kāi)IGBT 的工作原理，用各種不同干的方法去擬合IGBT的測(cè)試數(shù)據(jù)或曲線。但是，為了 能夠在傳統(tǒng)的DSP上使用，這種模型仍然需要更小的仿真步長(zhǎng)。比如在論文： “an extended model of power losses in hard-switchedIGBT-inverters ”中，作者提出一種通過(guò)利用曲線擬合的方法去建立IGBT的模論文中所建立的損耗模型如下圖7所示：T1Vdc77 D1三D2Ils

11、U0圖7.電壓型逆變器模型由于負(fù)載端電流串聯(lián)大電感，所以負(fù)載端電流近似為一個(gè)恒流源建。整個(gè)逆變器模型損耗有兩部分，由igbt和反并聯(lián)的二極管所引起的傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損 耗。1 T.傳導(dǎo)損耗為：Pc?！?- 0Uon(t) iL(t) dt(4)其中，Pconx為器件X的傳導(dǎo)損耗； con,xT為IGBT的導(dǎo)通周期；Uon (t)是導(dǎo)通壓降；iL(t)為負(fù)載電流；把開(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降Uon通過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻0和一個(gè)常量壓降U0表示出。這樣(4)式子可以寫(xiě)為：1 TB一Pcon,x - 0 (Uo,x 0,x 八 I iL(t)出 (5)其中，U0,x為偏置電壓；0為器件的動(dòng)態(tài)電阻；Bconx為器件曲線擬合

12、的常數(shù)。 con ,x.開(kāi)關(guān)損耗為：開(kāi)關(guān)損耗可以通過(guò)基極和發(fā)射極的壓降 Uce和電流1c的乘積得到，但受到不同型號(hào)IGBT影響較大。通過(guò)負(fù)載函數(shù)的電流來(lái)計(jì)算器件的開(kāi)關(guān)損耗就更為準(zhǔn)確。 并且均可以用igbt和二極管在開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗上，二極管的反向恢復(fù)電壓忽略_ B(6)Esw,xAwx i(t) sw'x其中，Esw,x為器件X的開(kāi)關(guān)損耗;Bsw,x,Asw,x為器件X曲線擬合的常數(shù);Uo,x，ro,Bsw,x,Asw,x,Bcon,x都可以測(cè)量開(kāi)通電壓特性，通過(guò)曲線擬合的方法得到，開(kāi)關(guān)損耗由負(fù)載電流決定。但是這種方法只是用在不變的溫度和直流連接 電壓上。如果考慮到不同溫度，模型可以

13、通過(guò)下面修改為：傳導(dǎo)損耗為：Pcon,x1 T(Ccon,1 Tj.BUo,x (Ccon,2 Tjr0,x) iL(t) con,x) iL dt(7)其中，Ccon,i,Ccon,2是不同溫度下的常數(shù)Tj為連接處溫度額為的參數(shù)Ccon,i,Ccon,2可以通過(guò)一系列的測(cè)試得到?？紤]到直流連接電壓的改變，IGBT的開(kāi)通損耗可以通過(guò)下面確定:Esw,x Asw,x iL(t)BSW，,胃尸x(8)U base其中，Ubase為直流連接電壓的基本值；Udc為直流連接電壓值;Csw, x為不同直流連接電壓的引入的常數(shù);其中，Asw,x, Bsw,x可以通過(guò)直流連接電壓基本值和不同的直流連接電壓的基

14、 礎(chǔ)上確定?？紤]到連接溫度Tj影響，引入連接溫度基本值Tbase,則開(kāi)通損耗模型可進(jìn) 步寫(xiě)為：sw,x其中，Lase為連接的基本溫度值;(9)Dsw,x為不同連接溫度引入的常數(shù);Dsw,x可以在Asw,x, Bsw,x, Csw,x確定后得出。雖然，IGBT的損耗模型上，十分詳細(xì)，但是由于迭代和算法復(fù)雜，仍然不 能運(yùn)用到實(shí)時(shí)仿真中去。3.3. 有限元數(shù)值模型引用來(lái)自 袁壽財(cái)著的 “IGBT場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體功率器件導(dǎo)論”由于IGBT寬基區(qū)特性的復(fù)雜性和定量描述的困難性，這類模型通常用有限 元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)IGBT寬基區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行精確求解， 并結(jié)合上述的一 種或多種方法，尤其是數(shù)值分析法對(duì)IG

15、BT的整體性能進(jìn)行描述。盡管這列模型 可以再Saber等軟件中使用，但通常對(duì)其它的應(yīng)用軟件使用極為不便，從而使這 種模型的應(yīng)用受到限制?？偨Y(jié)上面的幾個(gè)模型，系統(tǒng)級(jí)的建模，模型簡(jiǎn)單，適用于實(shí)時(shí)仿真，但是不 夠精確；器件級(jí)的模型，模型復(fù)雜，對(duì)IGBT建模十分精確，但是要求仿真步長(zhǎng) 很短，仿真時(shí)間要求很長(zhǎng)，所以不適合實(shí)時(shí)仿真。通過(guò)FPGA建立的IGBT 模型通過(guò)硬件編程語(yǔ)言VHDL,使仿真器簡(jiǎn)單，可靠，仿真步長(zhǎng)為 12.5ns,可以 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和精確的IGBT開(kāi)關(guān)信號(hào)。.在論文： Real-Time Digital Hardware Simulation of Power Electronics an

16、dDrives中，作者提出了基于FPGA的關(guān)于IGBT的非線性模型。.IGBT的電氣特性為：VCEsat(t) Vce(To) & io(t)(10)其中，rCE為IGBT開(kāi)通時(shí)的阻抗，"不怵為集電極和發(fā)射極的閥門電壓。理想情況下的電氣特性如下圖 8和圖9所示:圖8. IGBT理想開(kāi)通電氣特性當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)候，有一個(gè)關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td(off),然后有一個(gè)關(guān)斷降低時(shí)間tfVSC 一相橋壁為下圖所示：圖10三相VSC的一個(gè)橋臂利用lout來(lái)判斷A1 , A2上下兩個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。即IGBT導(dǎo)通，還是反 向續(xù)流二極管導(dǎo)通?？刂七^(guò)程為：設(shè)IGBT(A1)的開(kāi)通時(shí)間為t ,開(kāi)通

17、延時(shí)時(shí)間td(on)，上升時(shí)間tr . 判斷時(shí)刻，如果T=t,則IGBT(A1)的開(kāi)關(guān)信號(hào)從0變?yōu)?, IGBT (A2)的開(kāi)關(guān) 信號(hào)從1變?yōu)?。如果T<t, Iout>0,電流1。譏通過(guò)續(xù)流管D2, Vout Vdsat ;當(dāng)T=td(on)+t, Iout>0,Iout開(kāi)始流過(guò) IGBT (A1), A1 導(dǎo)通，Vout Vdc VcEsat ;當(dāng)T=tr +td (on) +t, I out >0, A1 完全導(dǎo)通,Vout Vdc。如果 lout =0 ,則 A1,A2 都處于開(kāi)1通狀態(tài)（死區(qū)），Vout -Vdco2B.FPGA實(shí)現(xiàn)的功能圖:aEJEdEou圖

18、11 FPGA實(shí)現(xiàn)三相VSG橋臂A1, A2開(kāi)通控制和死區(qū)時(shí)間： 這個(gè)FPGA模型通過(guò)計(jì)數(shù)器,設(shè)置 A1的死區(qū)時(shí) 問(wèn)，對(duì)A1發(fā)出開(kāi)通信號(hào)，由死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器直接實(shí)現(xiàn)對(duì) A1和A2的同時(shí)控制, 而不是單獨(dú)對(duì)A1和A2產(chǎn)生開(kāi)通信號(hào)。四象限運(yùn)行和輸出電壓乂譏:通過(guò)對(duì)lout和IGBT時(shí)間常數(shù)丁£工（00）工工3）的共同作用下，判斷出四象限運(yùn)行已經(jīng)輸出端電壓 Vout。判斷方法和VSC模型中相同。（2）在另一篇論文：FPGA-Based Real-Time Emulation of Power ElectronicSystems With Detailed Representation of

19、Device Characteristics 中, 作者基于 FPGA建模，提出了一種器件級(jí)的實(shí)時(shí)仿真模型。作者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jīng)過(guò)曲線擬合建立，首先通過(guò) IGBT的實(shí)驗(yàn)參數(shù)中獲得 開(kāi)關(guān)特性參數(shù)，然后把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)用硬件描述語(yǔ)言 VHDL實(shí)現(xiàn)。下面介紹 作者建立的模型。圖12. IGBT電氣特性測(cè)試電路電路參數(shù)：Lp 2.46uH , Cp 7.8nF。L=250mH減小在二極管反向恢復(fù)Lp,Cp之間的諧振，C=1800uF吸收二極管反向恢復(fù)的能量。IGBT 2是測(cè)試的器件，流經(jīng)電流由負(fù)載決定。ON OFFis*c.圖13. IGBT的開(kāi)關(guān)特性和損耗f H圖13為典型的Vce ic的IGBT開(kāi)

20、關(guān)特性和IGBT的開(kāi)關(guān)損耗-100016x iW46310Time 3圖14. IGBT開(kāi)通暫態(tài)特性O(shè)Q DOOOO& D 5 0 5 0 5 0 5 5 3 3 2 2 11 - £ 8A 05四0>®11EW010B-0。co=Gaor CurrerU 才>)圖14為IGBT的測(cè)量的開(kāi)通暫態(tài)特性。從圖中可以看出，當(dāng)IGBT導(dǎo)通，初 始有一個(gè)時(shí)間延時(shí)td(on),(同樣當(dāng)門級(jí)和發(fā)射極電壓Vce開(kāi)始下降也有一個(gè)時(shí)間延時(shí)td(on),然后當(dāng)電流ic開(kāi)始上升時(shí)候，達(dá)到峰值，中間有一個(gè)上升時(shí)間tr的時(shí)問(wèn)問(wèn)隔(同樣門級(jí)和發(fā)射極電壓 Vce開(kāi)始下降)。10%的ic峰值到90%的ic峰值之間的時(shí)間間隔為上升時(shí)間0圖15. IGBT關(guān)斷暫態(tài)特性圖15為IGBT的測(cè)量的關(guān)斷暫態(tài)特性。從圖中可以看出，當(dāng)IGBT關(guān)斷，初 始有一個(gè)時(shí)間延時(shí)td(on),(同樣當(dāng)門級(jí)和發(fā)射極電壓Vce開(kāi)始上升也有一個(gè)時(shí)間延時(shí)td(o