完整word版IGBT模型总结推荐文档.docx

完整word版IGBT模型总结推荐文档.docx

《完整word版IGBT模型总结推荐文档.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整word版IGBT模型总结推荐文档.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

完整word版IGBT模型总结推荐文档

.IGBT器件模型的研究背景：

实时仿真已经在汽车，航天，电子和机械制造中得到了广泛的应用，其中一个应用最广泛的就是硬件在回路。

在电压型变流器的仿真中，IGBT的建模是一个很关键的问题。

特别是模型要考虑到非线性的开关特性，电感损耗和反并联二极管的回复特性。

IGBT的离线仿真模型可以划归为两类：

系统级和器件级。

系统级的仿真模型主要包含的是电力电子期间的一些如关断电压，电流谐波等电气特性，如在MATLAB/SIMULINK等软件使用的模型。

这些工具利用有限元数值计算如梯形积分公式，建立器件常用的离散模型。

通常可以分为以下几个开关模型：

1.理想模型；2.开关函数模型；3.平均模型。

所有三种模型在实时仿真中都有使用，并且通过一些算法在DSP和PC机上实现，如通过自动预测下变流器下一状态来减小仿真时间。

虽然，系统级的模型仿真速度比较快，但是反应器件的非线性不够准确。

器件级的模型中，主要内容包括开关的暂态特性，功率损耗，和器件的发热特性。

SABER和SPICE系列软件都是通过有限元数值计算如Newton--Raphson或者Katzenelson方法来实现器件的非线性特性。

器件级的模型十分全面，但是仿真时间较长。

通常可以划分为一下三个模型：

1.分析模型；2.经验模型；3.有限元数值模型。

这三种模型由于计算复杂，没有一种运用到实时仿真中。

其中，分析模型是基于器件描述载流子动态的半导体物理特性。

在这种模型中，最具代表的是Hefner模型和Kraus模型，并且已经在SABER和SPICE中所使用。

在动作模型中，IGBT的相关开关特性通过不同的方法表示出来，并且这种方法已经在离线的仿真工具EMTP中比较准确的使用。

但是，为了能够在传统的DSP上使用，这种模型仍然需要更小的仿真步长。

.系统级的仿真模型

2.1理想模型

引用来自论文：

Behavior-ModeSimulationofPowerElectronicCircuits

图1.IGBT的伏安特性曲线

图2.IGBT的理想开关状态

比如，对于三相逆变器来说

图3.三相逆变器电路拓扑

三相电压型逆变器结构如图3中所示，由6支IGBT及其反并联二极管构成，引入A，B，C桥臂的开关变量

、

、

（

表示上桥臂导通，

表示该下桥臂导通，i=a,b,c）。

每个桥臂输出端的电压可以用各桥臂的开关变量和直流侧电压

表示：

（1）

，其中，

，推到可得：

在理想模型中，开关的暂态和二极管的反向恢复都被忽略。

并且，缓冲电路和杂散分量都可以忽略。

用线性等式代替器件的非线性开关特性（用图2所示的理想状态替代图1中的实际曲线），这样加速了仿真的时间和减小了收敛性问题。

由于不需要额外的电路模拟，理想模型是最常用的。

但是，由于在仿真过程中，由于每一个开关都是单独处理，开关状态的不同将会导致不同的拓扑结构。

这样，需要系统结构的改变，特别是高频电路。

2.2开关函数模型

引用来自论文：

Behavior-ModeSimulationofPowerElectronicCircuits

在这种方法中，一个开关变流电路被一个只有可控电压源和电流源的电路替代，描述变流器外部动作。

A.电压源输入电路

B电压源输入等效电路

图3.电压源输入

A.电流源输入电路

B.电流源输入等效电路

图4.电流源输入

输入，输出的关系为：

当输入为电压源时：

（1）

当输入为电流源时：

（2）

其中，

和

为开关函数，在很多情况下，

和

可以相互推出。

比如，对于三相电压源型逆变器来说

图5.三相逆变器电路拓扑

三相电压型逆变器结构如图5中所示，由6支IGBT及其反并联二极管构成，引IGBT的开关变量

（

表示IGBT导通，

表示IGBT关断，i=1,3,5）。

仿真用开关函数与理想模型相比，仿真更快，并且可以得到和理想模型的相同结果，在高频开关电路中仍然适用。

但是，由于不存在单独的开关，不太可能模拟检测出每个开关的电压和电流，而且如果考虑触发脉冲的死区时间，开关函数就更不容易实现。

3.3平均模型

引用来自论文：

Behavior-ModeSimulationofPowerElectronicCircuits

在理想模型和开关函数模型中，电路如果处于高频状态，如果进一步加速仿真速度，那么开关函数模型可以通过忽略开关影响。

也就是说，只有低频的开关分量被考虑，其它的高频分量被忽略。

比如在如下的Buck电路中

图6.Buck主电路

开关函数

变为一个直流常量，并且Buck电路输出没有谐波含量。

在另一篇论文：

GeneralizedAverageModellingofFACTSforRealTimeSimulationInARENE中，作者对上述方法进行了改进。

平均模型只考虑系统不同状态的平均值，模型比实际模型更加简单。

可以通过下列式子计算：

（1）

但是，这种平均模型的局限性是对所有的系统模型并不适用。

比如，对于离散的情况下，如果系统的平均值为0，这种方法就不再适用。

通用平均模型（TheGeneralizedAverageModelling）可以通过傅里叶变换很好的解决这个问题。

（2）

其中，

（3）

这样，可以得出系统不同的谐波。

并且，当k=0时，就是式子1中的平均模型。

.器件级模型

3.1分析模型；

这类模型主要基于求解半导体物理方程，得到器件一定条件下载流子分布和电流分布的表达式。

其中，最具代表性的是Hefner研究和开发的IGBT以为全数值点和控制模型。

Hefner模型：

引用论文来自：

Ananalyticalmodelforthesteady-stateandtransientcharacteristicsofthepowerinsulated-gatebipolartransistor.

3.2.经验模型；

在经验模型中，IGBT的相关开关特性通过不同的方法表示出来，并且这种方法已经在离线的仿真工具EMTP中比较准确的使用。

这类模型完全抛开IGBT的工作原理，用各种不同干的方法去拟合IGBT的测试数据或曲线。

但是，为了能够在传统的DSP上使用，这种模型仍然需要更小的仿真步长。

比如在论文：

“anextendedmodelofpowerlossesinhard-switchedIGBT-inverters”中，作者提出一种通过利用曲线拟合的方法去建立IGBT的模型。

论文中所建立的损耗模型如下图7所示：

图7.电压型逆变器模型

由于负载端电流串联大电感，所以负载端电流近似为一个恒流源

。

整个逆变器模型损耗有两部分，由IGBT和反并联的二极管所引起的传导损耗和开关损耗。

.传导损耗为：

（4）

其中，

为器件x的传导损耗；

T为IGBT的导通周期；

是导通压降；

为负载电流；

把开关导通压降

通过一个动态电阻

和一个常量压降

表示出。

这样（4）式子可以写为：

（5）

其中，

为偏置电压；

为器件的动态电阻；

为器件曲线拟合的常数。

.开关损耗为：

开关损耗可以通过基极和发射极的压降

和电流

的乘积得到，但受到不同型号IGBT影响较大。

通过负载函数的电流来计算器件的开关损耗就更为准确。

并且均可以用IGBT和二极管在开通损耗和关断损耗上，二极管的反向恢复电压忽略。

（6）

其中，

为器件X的开关损耗；

为器件X曲线拟合的常数；

，

，

，

都可以测量开通电压特性，通过曲线拟合的方法得到，开关损耗由负载电流决定。

但是这种方法只是用在不变的温度和直流连接电压上。

如果考虑到不同温度，模型可以通过下面修改为：

传导损耗为：

（7）

其中，

是不同温度下的常数

为连接处温度

额为的参数

可以通过一系列的测试得到。

考虑到直流连接电压的改变，IGBT的开通损耗可以通过下面确定：

（8）

其中，

为直流连接电压的基本值；

为直流连接电压值；

为不同直流连接电压的引入的常数；

其中，

，

可以通过直流连接电压基本值和不同的直流连接电压的基础上确定。

考虑到连接温度

影响，引入连接温度基本值

，则开通损耗模型可进一步写为：

（9）

其中，

为连接的基本温度值；

为不同连接温度引入的常数；

可以在

，

，

确定后得出。

虽然，IGBT的损耗模型上，十分详细，但是由于迭代和算法复杂，仍然不能运用到实时仿真中去。

3.3.有限元数值模型

引用来自袁寿财著的“IGBT场效应半导体功率器件导论”

由于IGBT宽基区特性的复杂性和定量描述的困难性，这类模型通常用有限元数值计算方法对IGBT宽基区的电导调制效应进行精确求解，并结合上述的一种或多种方法，尤其是数值分析法对IGBT的整体性能进行描述。

尽管这列模型可以再Saber等软件中使用，但通常对其它的应用软件使用极为不便，从而使这种模型的应用受到限制。

总结上面的几个模型，系统级的建模，模型简单，适用于实时仿真，但是不够精确；器件级的模型，模型复杂，对IGBT建模十分精确，但是要求仿真步长很短，仿真时间要求很长，所以不适合实时仿真。

通过FPGA建立的IGBT模型

通过硬件编程语言VHDL，使仿真器简单，可靠，仿真步长为12.5ns，可以实现复杂和精确的IGBT开关信号。

.在论文：

Real-TimeDigitalHardwareSimulationofPowerElectronicsandDrives中，作者提出了基于FPGA的关于IGBT的非线性模型。

.IGBT的电气特性为：

（10）

其中，

为IGBT开通时的阻抗，

为集电极和发射极的阀门电压。

理想情况下的电气特性如下图8和图9所示：

图8.IGBT理想开通电气特性

图9.IGBT理想关断电气特性

注意到：

当IGBT开通时候，有一个开通延时时间

，然后有一个上升时间

；当IGBT关断时候，有一个关断延时时间

，然后有一个关断降低时间

。

VSC一相桥壁为下图所示：

图10三相VSC的一个桥臂

利用

来判断A1，A2上下两个IGBT的开关状态。

即IGBT导通，还是反向续流二极管导通。

控制过程为：

设IGBT（A1）的开通时间为t，开通延时时间

，上升时间

。

判断时刻，如果T=t，则IGBT（A1）的开关信号从0变为1，IGBT（A2）的开关信号从1变为0。

如果T

>0,电流

通过续流管D2，

；当T=

+t,

>0,

开始流过IGBT（A1），A1导通，

；当T=

+

+t，

>0,A1完全导通，

。

如果

=0，则A1,A2都处于开通状态（死区），

。

B.FPGA实现的功能图：

图11FPGA实现三相VSG桥臂

A1，A2开通控制和死区时间：

这个FPGA模型通过计数器，设置A1的死区时间，对A1发出开通信号，由死区时间计数器直接实现对A1和A2的同时控制，而不是单独对A1和A2产生开通信号。

四象限运行和输出电压

：

通过对

和IGBT时间常数

的共同作用下，判断出四象限运行已经输出端电压

。

判断方法和VSC模型中相同。

在另一篇论文：

FPGA-BasedReal-TimeEmulationofPowerElectronicSystemsWithDetailedRepresentationofDevice