CN106202590B - Igbt模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法，所述参数获取方法包括：绘制IGBT曲线Vce‑Vge；根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；绘制寄生电容特性曲线；根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数。本发明提供的技术方案避免了求解复杂半导体物理方程或者设计参数提取实验，无需获取器件底层材料参数；模型不仅可以实现电路仿真中IGBT模块各种运行状态，而且可以在纳秒级仿真步长下模拟IGBT模块的电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性。
Description
技术领域：
本发明涉及电力电子仿真领域，更具体涉及一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法。
背景技术：
绝缘栅双极性晶体管集合了功率MOSFET与双极型器件的双重优点，具有输入阻抗高、耐高压、承受电流容量大、开关速度快等特性，受到了越来越多的关注和研究。在当前电力电子技术领域，高压IGBT与二极管构成开关模块已经广泛应用于各种电压源型电力电子变换装置中，如电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)、静止无功补偿器(STATCOM)等，对于其开关暂态过程的研究及建模越来越重要。因此，建立精确且实用的IGBT模块开关暂态模型，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。目前，在电力电子器件的建模研究中，主要采用机理模型和行为模型两大类。机理模型是利用半导体物理学知识对载流子的电学行为进行简化得到解析表达式进而求解物理方程。其典型代表有：Hefner模型，Kuang Sheng模型和Kraus模型。机理模型的参数获取对于缺少器件物理知识的用户来说非常困难，且模型含有复杂的半导体物理方程，计算量大，仿真时间长，存在计算收敛等问题。行为模型相对仿真速度比较快，但是只考虑器件外特性，物理概念不清楚，参数不易调整，模型通用性相对较差。
采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速度以及IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响，避免求解复杂的半导体物理方程，基于器件手册数据，提取暂态模型的关键参数，建立可模拟IGBT模块电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等暂态特性的IGBT模块开关暂态模型显得尤为重要。
发明内容：
本发明的目的是提供一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法，可作为对于IGBT模块开关暂态特性研究的基础手段，可作为基于可关断器件的在柔性直流、灵活交流输电领域的可关断器件选型设计、损耗分析、驱动与控制保护系统研发的依据。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，包括：
绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；
根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；
绘制寄生电容特性曲线；
根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；
确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数。
本发明提供的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，在所述步骤：绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线前还包括：绘制IGBT通态电流Ic-集射极电压Vce输出特性曲线。
本发明提供的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，在所述输出特性曲线的饱和区内的同一Vce下，绘制所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线的斜率和截距确定。
本发明提供的另一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，在所述输出特性曲线的线性区的同一Vce下，绘制通态电流Ic/集射极电压Vce与栅射极电压Vge曲线；所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述通态电流Ic/集射极电压Vce与栅射极电压Vge曲线的斜率和截距确定。
本发明提供的再一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述寄生电容特性曲线根据输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres与极间电容的关系和输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres随Vce变化的曲线确定。
本发明提供的又一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述寄生电容特性曲线根据IGBT栅极充电特性曲线确定。
本发明提供的又一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述拖尾时间常数为所述拖尾时间/4。
本发明提供的又一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述参数还包括拖尾电流起始值、栅极内阻参数和二极管反向恢复模型参数；所述栅极内阻参数为0-20欧。
本发明提供的一种IGBT模块开关暂态模型建立方法，根据所述参数获取方法建立模型。
本发明提供的一种模型建立方法，其所述模型包括IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型；将所述IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型按照IGBT模块电路连接，添加电路结构模块和控制参数模块，从而建立IGBT模块开关暂态模型。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明提供的技术方案针对IGBT模块应用场合，基于现有模型研究，采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速度的模型建立方法；
2、本发明提供的技术方案避免了求解复杂半导体物理方程或者设计参数提取实验，也无需获取器件底层材料参数；
3、本发明提供的技术方案物理概念清晰，将IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响综合考虑，结果真实可靠；
4、本发明提供的技术方案参数显著减少且容易提取，易调整，适用于不同IGBT及高压应用场合；
5、本发明提供的技术方案不仅可以实现电路仿真中IGBT模块各种运行状态，而且可以在纳秒级仿真步长下模拟高压IGBT模块的电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性。
附图说明
图1为本发明技术方案提供的IGBT模块开关暂态模型电路图；
图2为本发明技术方案提供的MOSFET-BJT模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；
图3为本发明技术方案提供的二极管模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；
图4为本发明技术方案提供的寄生电容模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；
图5为本发明技术方案提供的CM450DXL-34SA型IGBT功率模块等效跨导及阈值电压提取曲线图；
图6为本发明技术方案提供的CM450DXL-34SA型IGBT功率模块寄生电容参数提取曲线；
图7为本发明技术方案提供的CM450DXL-34SA型IGBT功率模块充电特性曲线；
图8为本发明技术方案提供的用于测试及验证模型正确性的二极管箝位的阻感性负载IGBT模块测试电路；
图9为本发明技术方案提供的在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路与SABER仿真软件下搭建的测试电路仿真波形对比图；
图10为本发明技术方案提供的在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路仿真波形与实验实测数据对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
本例的发明的技术方案提供了一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法；所述获取方法涉及的参数主要包括等效跨导K和导通阈值电压VT、寄生电容参数、拖尾电流起始值Itail0和时间常数τ、栅极内阻参数以及二极管反向恢复模型参数，具体对上述参数提取如下：
1)等效跨导K及阈值电压VT参数
由式(3)知，
当IGBT处于放大区时，电流两边取根号，可得如下表达式：
根据IGBT数据手册的输出特性曲线Ic-Vce，在饱和区内，在同一Vce下，读取数据，绘制与Vge曲线。根据曲线斜率和截距即可提取K和VT。同理，当IGBT处于饱和区时，得如下表达式：
根据IGBT数据手册的输出特性曲线，在线性区，在同一Vce下，读取数据，绘制Ic/Vce与Vge曲线。根据曲线斜率和截距即可提取K和VT。
2)寄生电容参数
在数据手册中，输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres是应用中常用的参数。它们与极间电容的关系如式(5)。根据器件数据手册上输入、输出、反馈电容随Vce变化曲线，在Matlab中采用五阶多项式及双曲函数进行分段拟合，获取近似表达式，再根据式(5)提取寄生电容参数。IGBT栅极充电特性用来描述IGBT驱动部分充电过程，部分厂家型号器件数据手册不提供寄生电容特性曲线，则也可利用栅极充电特性曲线近似替代来提取相关寄生电容参数。
充电过程分为三个阶段：I)栅极电流主要对电容Cge充电，栅极电压Vge上升到阈值电压VT，IGBT开始导通，集电极电流开始增加。II)由于开始导通，Vce下降至接近通态压降，Cgc即米勒电容增大，栅极电流主要对电容Cgc充电，Vge基本不变，出现米勒平台。III)集电极电流及Vce逐渐进入稳态，米勒效应消失，IGBT处于导通状态，栅极电流继续对Cge充电。放电过程与其相似，这里不做赘述。由上述对充电过程分析，结合器件数据手册栅极充电特性曲线上电荷与电压数据，可以分段提取相应寄生电容参数。
Cies＝Cge+Cgc
Coes＝Cce+Cge (5)
Cres＝Cgc
3)拖尾电流起始值Itail0及时间常数τ
当Vge<VT时器件关断，将此时集电极电流作为拖尾起始电流Itail0，亦可用β×Imos来提取。拖尾时间常数τ由稳态特性和关断过程中拖尾电流共同决定，本申请以关断过程中的拖尾电流作为提取的唯一途径。通过Saber通用模型仿真或实验测得关断过程拖尾时间Ttail，则τ近似取Ttail/4。
4)栅极内阻参数
IGBT驱动电路中，栅极内阻RG可以改善控制脉冲上升下降沿的斜率，并且防止寄生电感和电容震荡，限制IGBT集电极电压的尖脉冲值。因此RG的选定非常重要。如果阻值小，则充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作的耐固性，避免误导通，但会使栅极承受噪声能力小，易产生寄生正当；阻值大，则充放电较慢，开关时间和开关损耗增大。通常RG参数选取根据实际要求在器件数据手册给定的范围内，一般在0～20欧之间选择合适值。
5)二极管反向恢复模型参数
对于二极管反向恢复模型的参数可结合相应器件数据手册求解所述式(6)方程组提取。
所述IGBT模块开关暂态模型建立方法包括以下步骤：
步骤1：建立IGBT开关暂态模型；
步骤2：建立二极管反向恢复模型；
步骤3：根据步骤1和步骤2所得到的IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者按照IGBT模块电路结构连接，添加电路结构模块和控制参数模块，从而建立IGBT模块开关暂态模型。
所述步骤1中，IGBT开关暂态模型包括MOSFET-BJT模块、拖尾电流模块、寄生电容模块，具体对上述三种模块进行建模如下：
(1)MOSFET-BJT模块：
IGBT导通时，内部有两个电流通路：1)电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结构。2)空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构。IGBT工作于不同状态时，流过MOSFET电流表达式为：
采用电气等效简化，基于电路仿真要求，可根据BJT的特性近似得到如下关系：
由此，MOSFET-BJT模块可采用压控电流源来模拟IGBT的通态电流Ic，其解析表达式如下：
其中，等效跨导K＝(1+β)Kp；Vge为栅射极电压；VT为IGBT导通门槛电压；Vce为IGBT集射极电压；Kp为MOSFET跨导；β为BJT电流增益；Imos为流过MOSFET电流；Ic为流过IGBT电流即集电极电流。
(2)拖尾电流模块：
在IGBT关断暂态过程中，由于IGBT存在BJT，基区大量过剩载流子复合需要时间，使得关断电流会有较长的拖尾时间。
其中τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；t0为拖尾电流起始时间；关断过程中当Vge小于阈值电压时开始拖尾，此时集电极电流为拖尾起始电流Itail0。将所述式(4)添加至所述式(3)中，即得完整的MOSFET-BJT模块。
(3)寄生电容模块：
在数据手册中，输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres是应用中常用的参数。它们与极间电容Cge的关系如下：
Cies＝Cge+Cgc
Coes＝Cce+Cge (5)
Cres＝Cgc
利用所述式(5)结合器件手册数据，得到各极间寄生电容值，从而完成寄生电容模块。
所述步骤2中，二极管反向恢复模型采用宏模型的思路，结合二极管反向恢复特性，基于器件数据手册，建立模型。所述模型相关参数如式(6)所示。
其中，τre为反向恢复衰减时间常数；R和L为自由量，根据电路仿真要求及实际器件情况，可取L＝100nH，则R根据式(6)取相应值即可；Irm为反向恢复峰值电流；dIf/dt为反向恢复电流斜率；trr为反向恢复时间；Qrr为反向恢复电荷量，Kre为反向恢复比例系数。
所述步骤3中，将所述步骤1和2中两个模型，按照IGBT模块电路结构连接，由电路结构模块和控制参数模块组成完整IGBT模块开关暂态模型。
封装后的IGBT模块电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT压控电流源和反并联二极管电路组成。
所述IGBT模块开关暂态模型采集各节点电压和支路电流值输入给控制参数模块，同时接受控制参数模块的输出作为MOSFET-BJT压控电流源的控制信号，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电压电流的控制。所述IGBT模块的电路结构模块和IGBT静态及动态特性紧密对应。
所述控制参数模块主要包括寄生电容模块、MOSFET-BJT模块以及二极管模块。该模块接受各节点电压和支路电流值，根据权利要求2所述建模方法，自定义编程，输出寄生电容、MOSFET-BJT压控电流源及二极管电流源参数给电路结构模块。
图1是本发明提供的一种IGBT模块开关暂态模型电路图。图1中，IGBT模块由电路结构模块和控制参数模块构成。
封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT压控电流源和反并联二极管电路组成。采集各节点电压和支路电流值输入给控制参数模块，同时接受控制参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电压电流的控制。电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。
图2-图4为控制参数模块，主要包括MOSFET-BJT模块、二极管模块以及寄生电容模块。控制参数模块接受电路结构模块输出参数，根据所述建模方法，自定义编程，输出相应参数给电路结构模块。
图2为MOSFET-BJT模块，其中模块输入为导通门槛电压VT、栅射极电压Vge、集射极电压Vce、集电极电流Ic、仿真时间t以及相关控制参数等，而输出为MOSFET-BJT压控电流源的电流值Imos1。通过内部按照所述步骤1内容自定义编程实现，模拟MOSFET与BJT的特性。
图3为二极管模块，其中模块输入为二极管电流Id、仿真时间t、反向恢复电流峰值Irm、反向恢复电流斜率dif等反向恢复参数，而输出为二极管反向恢复电流源的电流值If。通过内部按照所述步骤2内容自定义编程实现，模拟二极管的反向恢复特性。
图4为寄生电容模块，其中模块输入为集射极电压Vce、仿真时间t，而模块输出为输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres。通过器件手册电容特性曲线自定义编程实现，再按照所述步骤3转化成极间寄生电容Cge、Cgc和Cce。
图5为CM450DXL-34SA型IGBT模块等效跨导及阈值电压提取曲线。根据CM450DXL-34SA型IGBT数据手册的输出特性曲线，在线性区，在同一Vce下，读取数据，绘制Ic/Vce与Vge曲线。根据曲线斜率和截距即可提取K和VT。
图6为CM450DXL-34SA型IGBT模块寄生电容参数提取曲线。根据CM450DXL-34SA型IGBT器件数据手册上输入、输出、反馈电容随Vce变化曲线，在Matlab中采用五阶多项式及双曲函数进行分段拟合，获取近似表达式，再根据式(5)提取寄生电容参数。
图7为CM450DXL-34SA型IGBT模块充电特性曲线。由上述对充电过程分析，结合图5所示器件数据手册栅极充电特性曲线上电荷与电压数据，可以分段提取相应寄生电容参数。
图8用二极管箝位的阻感性负载电路作为IGBT模块开关暂态模型测试电路。其中，续流二极管用IGBT模块代替，RG为栅极外部电阻取6Ω，LL为感性负载取50uH，RL为负载电阻取2.2Ω，外部电压Vcc为1kV。
表1 IGBT模块开关暂态模型关键参数
表1为以三菱公司生产的CM450DXL-34SA型1.7kV/450A-IGBT功率模块为例，IGBT模块开关暂态模型的关键参数。
两路栅极驱动信号Ug1和Ug2通过输出+15V与0V来分别控制IGBT1模块和IGBT2模块的工作状态。测试电路中，Ug1恒定为0V，即IGBT1保持关断，只起续流二极管作用。通过控制Ug2输出电压+15V与0V先导通IGBT2模块，对负载电感LL充电，将电路电流升至450A，再关断IGBT2模块得到IGBT2模块的关断电流和电压暂态波形，负载电感通过IGBT1模块中二极管续流，再开通IGBT2模块得到相应的开通电压电流暂态波形来测试模型稳态和暂态特性，PSCAD和SABER的仿真波形对比结果如图9所示。
为进一步验证模型正确性，采用IGBT型号为SGH40N60，续流二极管的型号为HFA25TB60，根据相应型号器件手册，提取并修改相关仿真参数，仿真波形与实验实测数据对比结果如图10所示。
通过PSCAD仿真波形与SABER仿真波形以及实验实测数据对比，本发明提出的IGBT模块开关暂态模型不仅能够实现IGBT模块的各种工作状态，而且可以模拟电流电压尖峰、米勒平台、拖尾电流、二极管反向恢复电流等开关暂态特性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述IGBT模块开关暂态模型由电路结构模块和控制参数模块构成；封装后的IGBT模块电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT压控电流源和反并联二极管电路组成；
控制参数模块包括MOSFET-BJT模块、二极管模块以及寄生电容模块；控制参数模块接受电路结构模块输出参数，根据IGBT模块开关暂态模型建模方法，自定义编程，输出相应参数给电路结构模块；所述IGBT模块开关暂态模型建立方法包括以下步骤：
步骤1：建立IGBT开关暂态模型；
步骤2：建立二极管反向恢复模型；
步骤3：根据步骤1和步骤2所得到的IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者按照IGBT模块电路结构连接，添加电路结构模块和控制参数模块，从而建立IGBT模块开关暂态模型；
所述二极管模块中，模块输入为二极管电流Id、仿真时间t、反向恢复电流峰值Irm和反向恢复电流斜率dif，而输出为二极管反向恢复电流源的电流值If；通过内部按照所述步骤2内容自定义编程实现，模拟二极管的反向恢复特性；
所述寄生电容模块中，模块输入为集射极电压Vce、仿真时间t，而模块输出为输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres；通过器件手册电容特性曲线自定义编程实现，再按照所述步骤3转化成极间寄生电容Cge、Cgc和Cce；
其特征在于，所述方法包括：
绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；
根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；
绘制寄生电容特性曲线；
根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；
确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数；
在所述步骤：绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线前还包括：绘制IGBT通态电流Ic-集射极电压Vce输出特性曲线；在所述输出特性曲线的饱和区内的同一Vce下，绘制所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；
所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线的斜率和截距确定；
在所述输出特性曲线的线性区的同一Vce下，绘制Ic/Vce与Vge关系曲线；其中：Ic通态电流、Vce集射极电压、Vge栅射极电压；
所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述Ic/Vce与Vge关系曲线的斜率和截距确定；其中：Ic通态电流、Vce集射极电压、Vge栅射极电压。
2.如权利要求1所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：所述寄生电容特性曲线根据输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres与极间电容的关系和输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres随Vce变化的曲线确定。
3.如权利要求1所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：所述寄生电容特性曲线根据IGBT栅极充电特性曲线确定。
4.如权利要求1所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：所述拖尾时间常数为所述拖尾时间/4。
5.如权利要求1所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：所述参数还包括拖尾电流起始值、栅极内阻参数和二极管反向恢复模型参数；所述栅极内阻参数为0-20欧。
6.一种IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于：根据所述权利要求1-5任意一项所述参数获取方法建立模型；
所述模型包括IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型；将所述IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型按照IGBT模块电路连接，添加电路结构模块和控制参数模块；
所述控制参数模块包括MOSFET-BJT模块、二极管模块以及寄生电容模块；控制参数模块接受电路结构模块输出参数，根据所述IGBT模块开关暂态模型建模方法，自定义编程，输出相应参数给电路结构模块；
所述二极管模块中，模块输入为二极管电流Id、仿真时间t、反向恢复电流峰值Irm和反向恢复电流斜率dif，而输出为二极管反向恢复电流源的电流值If；通过内部按照所述步骤2内容自定义编程实现，模拟二极管的反向恢复特性；
所述寄生电容模块中，模块输入为集射极电压Vce、仿真时间t，而模块输出为输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres；通过器件手册电容特性曲线自定义编程实现，再按照所述步骤3转化成极间寄生电容Cge、Cgc和Cce；而建立IGBT模块开关暂态模型。
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