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1、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

2、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

3、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-Mode Simulation of Power Electronic Circuits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

4、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

5、别是高频电路。2.2 开关函数模型引用来自论文：Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits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

6、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-Mode Simulation of Power Electronic Circuits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，

7、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：Generalized Average Modelling of FACTS for Real Time Simulation In ARENE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（The Generalized Average Model

8、ling）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：An analytical model for the steady-state and transient characteristics of the power insulated-gate bipolar transistor

9、.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：“an extended model of power losses in hard-switched IGBT-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

10、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

11、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

12、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

13、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-Time Digital Hardware Simulation of Power Electronics and Drives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

14、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T0, 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,

15、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11 FPGA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-Based Real-Time Emulation of Power Electronic Systems With Detailed Representation of Device