1、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-Mode Simulation of Power Electronic Circuits图1. IGBT的伏安特性曲线图
2、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
3、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:当输入为电流源时: (2)其中,和为开关函数,在很多情况下,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
4、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:Generali
5、zed 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: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 Modelling)可以通过傅里叶变换很好的解决这个问题。 (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
6、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.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
7、同干的方法去拟合IGBT的测试数据或曲线。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
8、样(4)式子可以写为: (5)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)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)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
9、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)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;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)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
10、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-Time Digital
11、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) 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
12、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,+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。FPGA-Based Real-Time Emulation of Power Electronic Systems With Detailed Representation of Device
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