CN111273149B - 一种用于电磁兼容仿真的igbt模块建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法，该方法对五个工况下IGBT模块的外特性进行了全局建模，扩宽了工况适用范围，实现了模型的宽适用性的特点，同时还考虑了反并联二极管的动静态特性，统一建立了包含反并联二极管的IGBT模块器件级行为模型。除此之外，本发明通过IGBT模块的集电极电流、集射级电压以及测试电路参数推导出反并联二极管近似电流波形，减少了测试过程中电流探头使用个数。

Description

一种用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法

技术领域

本发明属于电力电子仿真技术领域，具体涉及一种用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法。

背景技术

绝缘栅双极性晶体管(Insulated-GateBipolarTransistor，IGBT)结合了功率MOSFET和双极型晶体管的优点，以其输入阻抗高、耐压高、输出电流大、通态电阻小、开关速度快等特性广泛地应用于电力电子装置和系统中。通常IGBT两端反并联PIN二极管作为电流续流路径，从而构成一个完整的IGBT模块，实现能量变换的基本功能。随着开关频率和功率密度的提高，开关动作时IGBT模块两端的电压变化率(dv/dt)和流经IGBT模块的电流变化率(di/dt)极大，由于电路寄生参数的存在，产生了显著的宽频带的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)。在电力电子装置和系统的设计阶段，除了考虑EMI水平之外，开通损耗、关断损耗、开通过电流和关断过电压等也应当充分考虑，防止IGBT模块超出安全运行范围，因此需要进行计算机仿真分析，从而对IGBT模块仿真模型的计算精度提出了要求。

通常IGBT模型分为两大类：物理模型和行为模型。物理模型又称为机理模型，是根据IGBT内部结构和半导体物理学建立载流子运动方程，从而描述器件的动态物理过程，其典型代表模型有Hefner模型、KuangSheng模型和Kraus模型；物理模型较为准确地表达了器件底层的物理信息，因此其仿真数据和实验数据一致性较高，但模型的建立需要对器件的物理结构、材料特性和运行原理等具有深入了解，并且模型是在复杂的半导体物理方程的基础上建立的，模型求解难度大，仿真时间长，计算收敛难度大。行为模型不关注器件内部的物理结构和物理机理，只关注器件的外特性，采用合适的数学方程、子电路等建立器件外特性的等效电路，其仿真时间短，易收敛，但通常只针对特定工况下的器件进行建模，模型的适用性一般。

针对功率开关器件瞬态模型的建立，清华大学的赵争鸣等人在文献《功率开关器件多时间尺度瞬态模型(Ⅰ)//开关特性与瞬态建模[J].电工技术学报,2017(12)》中提出了一种基于功率开关器件开关动作物理机制的分段线性模型——IGBT折线模型，在一定的简化假设条件下，将开通和关断瞬态过程各分为4个阶段，采用合适的线性函数或指数函数描述各个阶段下集射极电压、集射极电流和栅极电压；但该方法不适用于小时间尺度下的仿真计算，并且只适用于单一工况下的仿真计算。

中国科学院电工研究所的张栋等人在文献《Interiorpermanentmagnetmotor drivesystemmodelingforelectromagneticinterferenceanalysis[C]//201417th InternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems(ICEMS).IEEE,2014:1498-1504》中提出了一种用于电磁干扰仿真的IGBT模型，采用等效的思想建立包含IGBT正向导通部分和反并联二极管部分的等效电路模型，该等效电路模型由电阻、电容、理想二极管、理想开关构成，模型所需参数通过电阻性负载的IGBT单脉冲实验提取；由于该模型包含三个理想开关，导致控制变量数较多，使得在仿真过程中控制该模型开通关断动作的控制单元较为复杂，并且该模型同样只适用于单一工况下的仿真计算。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法，该方法能够建立工况适用性较广的IGBT模块的器件级行为模型，包含IGBT及其反并联二极管两部分，可用于电磁兼容等分析。

一种用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法，包括如下步骤：

(1)根据IGBT模块所在电力电子系统正常工作状况下的电气参数，确定IGBT模块建模过程中的额定电压V和额定电流I，进而确定IGBT模块以下五种工况：额定电压电流工况、额定电流高电压工况、额定电流低电压工况、额定电压大电流工况、额定电压小电流工况；

(2)分别在上述五种工况下对电力电子系统进行IGBT模块的双脉冲试验，测量采集流经IGBT模块的集电极电流I_c、IGBT模块集电极与发射极两端电压V_ce以及IGBT模块的栅极驱动电压V_ge；

(3)根据双脉冲试验结果波形图计算各个工况下IGBT模块的开通时间t_on、关断时间t_off、开通能量E_on、关断能量E_off、反向恢复电荷Q_rr和反向恢复电流峰值I_rr，作为模型的动态参数；

(4)提取IGBT模块数据手册中的转移特性曲线I_c＝f(V_ge)、输出特性曲线I_c＝f(V_ce)以及二极管正向特性曲线I_d＝f(V_d)作为模型的静态参数，I_d为流经IGBT模块反并联二极管的电流，V_d为IGBT模块反并联二极管的电压；

(5)选用BasicDynamicIGBTModel，将上述动态参数及静态参数输入该模型中，采用AnsysTwinBuilder软件中的CharacterizeDevice功能通过一维搜索方法和雅可比矩阵递推法全局拟合五种工况下的IGBT模块行为特性，建立IGBT模块的器件级行为模型。

进一步地，IGBT模块所在电力电子系统为单桥臂或三桥臂拓扑。

进一步地，所述步骤(1)中在额定电压电流工况下IGBT模块的试验电压为V，试验电流为I；在额定电流高电压工况下IGBT模块的试验电压为120％V，试验电流为I；在额定电流低电压工况下IGBT模块的试验电压为50％V，试验电流为I；在额定电压大电流工况下IGBT模块的试验电压为V，试验电流为150％I；在额定电压小电流工况下IGBT模块的试验电压为V，试验电流为50％I。

进一步地，所述IGBT模块的开通时间t_on＝t_b1-t_a1，t_a1为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中V_ge上升至最大值的10％所对应的时间点，t_b1为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c上升到最大值的90％所对应的时间点。

进一步地，所述IGBT模块的关断时间t_off＝t_b2-t_a2，t_a2为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中V_ge下降至最大值的90％所对应的时间点，t_b2为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中V_ce上升到最大值的90％所对应的时间点。

进一步地，所述IGBT模块的开通能量

t_a3为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c上升至最大值的10％所对应的时间点，t_b3为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中V_ce下降到最大值的10％所对应的时间点。

进一步地，所述IGBT模块的关断能量

t_a4为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中V_ce上升至最大值的10％所对应的时间点，t_b4为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中I_c下降到最大值的10％所对应的时间点。

进一步地，所述IGBT模块的反向恢复电流峰值I_rr为复合电流I_sum的峰值与I_fwd的差值，I_fwd为双脉冲间隔过程中IGBT模块反并联二极管的续流电流值。

进一步地，所述IGBT模块的反向恢复电荷Q_rr为复合电流I_sum的波形与I_fwd对应的电流值水平线所围成的面积，I_fwd为双脉冲间隔过程中IGBT模块反并联二极管的续流电流值。

进一步地，所述复合电流I_sum的表达式如下：

其中：L为双脉冲试验系统中所采用的负载电感值，u_L为负载电感电压，L_sp为双脉冲试验系统中正母排杂散电感值，U为双脉冲试验系统的直流母线电压，t₀为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c的上升起始时间点，t_max为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c的峰值所对应的时间点。

本发明无需测量采集反并联二极管相关波形，通过IGBT模块的集电极电流、集射级电压以及测试电路参数推导出反并联二极管近似电流波形，从而计算出动态参数反向恢复电荷和反向恢复电流峰值。此外，本发明采用AnsysTwin Builder软件中的CharacterizeDevice功能建立IGBT模块的器件级行为模型，其中软件所需外部驱动电阻设置值采用实际驱动板的驱动电阻值，若驱动板驱动电阻值未知，通过设置初始驱动电阻值进行逐步迭代，寻找最优外部驱动电阻设置值。

相比于以往针对单一工况下的IGBT行为模型的建立方法，本发明方法对五个工况下IGBT模块的外特性进行了全局建模，扩宽了工况适用范围，实现了模型的宽适用性的特点，同时还考虑了反并联二极管的动静态特性，统一建立了包含反并联二极管的IGBT模块器件级行为模型。除此之外，本发明通过IGBT模块的集电极电流、集射级电压以及测试电路参数推导出反并联二极管近似电流波形，减少了测试过程中电流探头使用个数。

附图说明

图1为本发明IGBT模块仿真建模方法的流程示意图。

图2为实际包含IGBT模块的电力电子系统拓扑结构示意图。

图3为实际电力电子系统对应的双脉冲试验系统结构示意图。

图4为IGBT模块第二次开通过程中集电极电流及复合电流波形示意图。

图5为IGBT模块的特性曲线提取示意图。

图6为BasicDynamicIGBT模型的等效电路示意图。

图7为额定电压电流1500V1060A工况下试验与仿真波形对比示意图。

图8为高电压额定电流1800V1060A工况下试验与仿真波形对比示意图。

图9为1500V800A验证工况下试验与仿真波形对比示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法，包括如下具体步骤：

(1)根据IGBT模块所在电力电子系统正常工作状况下的电气参数，确定IGBT模块建模过程中的额定电压V和额定电流I，进而确定IGBT模块以下五种工况：额定电压电流工况、额定电流高电压工况、额定电流低电压工况、额定电压大电流工况、额定电压小电流工况。

本实例中所采用的IGBT模块型号为MitsubishiCM1000HC-66R，用于轨道交通牵引系统，该系统的直流母线电压为1500V，满载时单相输出电流有效值为500A，则该相上IGBT通过的电流峰值大约为1060A，从而确定额定电压V为1500V、额定电流I为1060A。对额定电压提升约20％或降低约50％、对额定电流提升约50％或降低约50％，确定余下四个工况：高电压额定电流1800V1060A、低电压额定电流750V1060A、额定电压大电流1500V1670A、额定电压小电流1500V600A。

(2)分别在上述五种工况下对实际电力电子系统进行IGBT模块的双脉冲试验，测量采集流经IGBT模块的集电极电流I_c、IGBT模块集电极与发射极两端电压V_ce以及IGBT模块的栅极驱动电压V_ge。

本实例中实际电力电子系统拓扑为三桥臂拓扑，如图2所示，该电力电子系统对应的双脉冲试验电路如图3所示，包含可调直流稳压电源、母排寄生电感、待建模IGBT模块、电感负载、驱动电路、双脉冲发生器和电流电压测试仪器等，电流电压测量装置包含示波器、电压探头和电流探头。将可调直流稳压电源调节至选定测试工况对应的试验电压值，对直流侧支撑电容充电，通过调整双脉冲各个脉冲宽度，使得在第一个脉冲结束时待测IGBT模块流经的电流上升至选定测试工况对应的试验电流值，第二个脉冲宽度和两个脉冲之间的间隔尽可能短；进而测量采集双脉冲测试过程中流经IGBT模块的集电极电流I_c、IGBT模块两端的集射级电压V_ce、IGBT模块的栅极驱动电压V_ge。

(3)根据双脉冲试验结果波形图计算各个工况下IGBT模块的开通时间t_on、关断时间t_off、开通能量E_on、关断能量E_off、反向恢复电荷Q_rr和反向恢复电流峰值I_rr，作为模型的动态参数输入部分。

本实施案例中，根据采集到的波形图读取相应时间点及数据，计算开通时间t_on、关断时间t_off、开通能量E_on和关断能量E_off。

开通时间t_on为双脉冲试验时IGBT模块第二次开通过程中，栅极驱动电压V_ge上升至最大值的10％对应的时间点到集电极电流I_c上升到最大值的90％对应的时间点的时间间隔。

关断时间t_off为双脉冲试验时IGBT模块第一次关断过程中，栅极驱动电压V_ge下降至最大值的90％对应的时间点到集射极电压V_ce上升到最大值的90％对应的时间点的时间间隔。

开通能量E_on为双脉冲试验时IGBT模块第二次开通过程中，集电极电流I_c上升到最大值的10％对应的时间点到集射极电压V_ce下降到最大值的10％对应的时间点的时间间隔内，集射极电压V_ce和集电极电流I_c的乘积对时间的积分。

关断能量E_off为双脉冲试验时IGBT模块第一次关断过程中，集射极电压V_ce上升到最大值的10％对应的时间点到集电极电流I_c下降到最大值的10％对应的时间点的时间间隔内，集射极电压V_ce和集电极电流I_c的乘积对时间的积分。

对于反向恢复电荷Q_rr和反向恢复电流峰值I_rr的计算，根据IGBT模块第二次开通过程中集电极电流I_c由三部分组成，分别为电感电流增加值I_L、续流电流I_fwd和反向恢复电流I_r，则反向恢复电流与续流电流之和即复合电流I_sum的计算公式如下：

式中：u_L为双脉冲试验系统中所采用的负载电感L上的电压，根据测试电路拓扑可以近似推导出负载电感L上的电压u_L在第二次开通过程中的表达式如下：

式中：L_sp为双脉冲试验系统中正母排杂散电感值，U为双脉冲试验系统的直流母线电压，t₀为IGBT模块第二次开通过程中集电极电流I_c上升起始点，t_max为第二次开通过程中集电极电流I_c上升到峰值所对应的时间点，如图4所示，因此电感电流增加值I_L计算公式如下：

从而可计算出复合电流I_sum的波形，进而计算出反向恢复电荷Q_rr和反向恢复电流峰值I_rr，如图4所示，I_fwd为IGBT模块在双脉冲间隔过程中反并联二极管的续流电流值，I_rr为复合电流I_sum峰值与I_fwd的差值，Q_rr即为图中的阴影部分面积。

(4)提取IGBT模块数据手册中转移特性曲线I_c＝f(V_ge)、输出特性曲线I_c＝f(V_ce)、二极管正向特性曲线I_d＝f(V_d)等作为模型的静态参数输入部分。

本实施案例中，通过选取合适的提取范围，提取CM1000HC-66R数据手册中25℃和150℃的转移特性曲线I_c＝f(V_ge)、输出特性曲线I_c＝f(V_ce)和二极管正向特性曲线I_d＝f(V_d)，如图5所示，作为模型的静态参数输入部分。

(5)选用BasicDynamicIGBTModel，将上述动态参数及静态参数输入该模型中，采用AnsysTwinBuilder软件中的CharacterizeDevice功能通过一维搜索方法和雅可比矩阵递推法全局拟合五种工况下的IGBT模块行为特性，建立IGBT模块的器件级行为模型。

本实施例中，采用AnsysTwinBuilder软件中的CharacterizeDevice功能，选用BasicDynamicIGBTmodel模型，如图6所示，输入上述步骤中的动静态参数，其中输入电容C_in、米勒电容C_r、内部栅极电阻R_g、总引线电阻R_tot和总引线电感L_tot采用CM1000HC-66R数据手册中的对应值。

对于外电路杂散电感值L_ext，可采用AnsysQ3D功能进行有限元仿真提取，或者根据双脉冲试验钟IGBT模块开通关断过程中集射极电压V_ce的下跌或过冲现象计算外电路杂散电感值L_ext，即有如下公式：

对于外部驱动开通/关断电阻值R_gon/off的设置，采用双脉冲试验过程中所用驱动板的开通关断电阻值，若该值未知，先以数据手册中的门极驱动开通关断电阻值R'_{g_on}、R'_{g_off}为基准，建立初步IGBT模块模型，根据初步模型的开通关断波形计算对应的开通时间t'_on、关断时间t'_off。由于开通关断时间与门级驱动电路的时间常数RC呈正比例关系，则有如下关系式，通过逐步迭代得出所需外部驱动电阻值R'_{g_on}、R'_{g_off}。

将上述各参数输入CharacterizeDevice工具中的BasicDynamicIGBT模型，选取模型拟合目标为开通时间t_on、关断时间t_off、开通能量E_on、关断能量E_off、反向恢复电荷Q_rr和反向恢复电流峰值I_rr，误差设置值为7％，输入五个工况下IGBT模块的动态参数，通过一维搜索方法和雅可比矩阵递推法进行模型的拟合建立，并搭建双脉冲仿真电路对该IGBT模块仿真模型进行验证，其对比结果如图7、图8、图9所示，所建立的IGBT模块模型能较好的体现各个工作点上CM1000HC-66RIGBT模块的动静态特性，适用于电磁兼容仿真等仿真分析。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于电磁兼容仿真的IGBT模块建模方法，包括如下步骤：

(1)根据IGBT模块所在电力电子系统正常工作状况下的电气参数，确定IGBT模块建模过程中的额定电压V和额定电流I，进而确定IGBT模块以下五种工况：额定电压电流工况、额定电流高电压工况、额定电流低电压工况、额定电压大电流工况、额定电压小电流工况；

(2)分别在上述五种工况下对电力电子系统进行IGBT模块的双脉冲试验，测量采集流经IGBT模块的集电极电流I_c、IGBT模块集电极与发射极两端电压V_ce以及IGBT模块的栅极驱动电压V_ge；

(3)根据双脉冲试验结果波形图计算各个工况下IGBT模块的开通时间t_on、关断时间t_off、开通能量E_on、关断能量E_off、反向恢复电荷Q_rr和反向恢复电流峰值I_rr，作为模型的动态参数；

(4)提取IGBT模块数据手册中的转移特性曲线I_c＝f(V_ge)、输出特性曲线I_c＝f(V_ce)以及二极管正向特性曲线I_d＝f(V_d)作为模型的静态参数，I_d为流经IGBT模块反并联二极管的电流，V_d为IGBT模块反并联二极管的电压；

(5)选用Basic Dynamic IGBT Model，将上述动态参数及静态参数输入该模型中，采用Ansys Twin Builder软件中的Characterize Device功能通过一维搜索方法和雅可比矩阵递推法全局拟合五种工况下的IGBT模块行为特性，建立IGBT模块的器件级行为模型。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中在额定电压电流工况下IGBT模块的试验电压为V，试验电流为I；在额定电流高电压工况下IGBT模块的试验电压为120％V，试验电流为I；在额定电流低电压工况下IGBT模块的试验电压为50％V，试验电流为I；在额定电压大电流工况下IGBT模块的试验电压为V，试验电流为150％I；在额定电压小电流工况下IGBT模块的试验电压为V，试验电流为50％I。

3.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述IGBT模块的开通时间t_on＝t_b1-t_a1，t_a1为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中V_ge上升至最大值的10％所对应的时间点，t_b1为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c上升到最大值的90％所对应的时间点。

4.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述IGBT模块的关断时间t_off＝t_b2-t_a2，t_a2为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中V_ge下降至最大值的90％所对应的时间点，t_b2为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中V_ce上升到最大值的90％所对应的时间点。

5.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述IGBT模块的开通能量

t_a3为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c上升至最大值的10％所对应的时间点，t_b3为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中V_ce下降到最大值的10％所对应的时间点。

6.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述IGBT模块的关断能量

t_a4为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中V_ce上升至最大值的10％所对应的时间点，t_b4为双脉冲试验下IGBT模块第一次关断过程中I_c下降到最大值的10％所对应的时间点。

7.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述IGBT模块的反向恢复电流峰值I_rr为复合电流I_sum的峰值与I_fwd的差值，I_fwd为双脉冲间隔过程中IGBT模块反并联二极管的续流电流值。

8.根据权利要求1所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述IGBT模块的反向恢复电荷Q_rr为复合电流I_sum的波形与I_fwd对应的电流值水平线所围成的面积，I_fwd为双脉冲间隔过程中IGBT模块反并联二极管的续流电流值。

9.根据权利要求7或8所述的IGBT模块建模方法，其特征在于：所述复合电流I_sum的表达式如下：

其中：L为双脉冲试验系统中所采用的负载电感值，u_L为负载电感电压，L_sp为双脉冲试验系统中正母排杂散电感值，U为双脉冲试验系统的直流母线电压，t₀为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c的上升起始时间点，t_max为双脉冲试验下IGBT模块第二次开通过程中I_c的峰值所对应的时间点。

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