一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法与流程

本发明涉及电力系统仿真领域，更具体涉及一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法。
背景技术：
：：目前，仿真技术已全面进入实时化仿真时代，实时仿真以其更加接近实际系统的仿真环境成为仿真领域的发展方向，实时仿真的发展更使数字物理混合仿真成为可能，为控制保护装置开发与测试、新型电力电子装置研发提供了更加灵活与便捷的手段。现有实时仿真系统仿真步长最小可达微秒级，仿真规模在一定优化算法的基础上，已具备512电平左右MMC换流阀的仿真能力，能够较好的反应装置稳态以及系统暂、稳态的过程。但是，实时仿真技术在纳秒级开关暂态仿真方面尚无实际应用，然而，对于电力电子领域而言，最底层的设备是器件，器件的暂态过程必然与装置的暂态过程相耦合，因此在不能反应器件暂态过程的仿真中研究电力电子状装置的暂态过程是不全面的。另一方面，电力电子装置的故障常因器件故障引起，器件的故障也属于器件暂态过程的范畴，对器件失效机理以及失效后与装置间的交互影响尚无技术手段开展研究，另外，现有设备对器件的利用存在一定的裕量，对器件利用安全域的研究十分必要。IGBT器件的建模研究主要有机理建模和行为建模两大类。机理模型完全基于IGBT内部的半导体物理机理，因此也称为“物理模型”，它从载流子的漂移和扩散运动、空间电荷的连续性以及与电场的关系出发，依据器件几何结构建立模型，描述器件的物理过程，由于它正确的揭示了器件底层的物 理信息，所以电路仿真往往与实验数据有更好的一致性，但机理模型直接和器件的结构材料等关联，需对器件运行机制甚至材料特性有相当的了解，参数提取复杂，数学模型解算困难。行为模型忽略了器件的内部结构，不考虑IGBT内部物理机理，器件仅被看作一个“黑盒子”，只对系统的输入输出进行分析，采用适当的数学方程、表格、子电路或框图的形式建模，因此也被称为“宏模型”、“经验模型”或者“功能模型”。技术实现要素：：本发明的目的是提供一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，避免仿真模型仅侧重于某一个方面功能和性能的缺点，且同时兼顾仿真精度和计算速度。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，包括：建立静态模型；建立动态模型；建立热模型；通过所述模型搭建可实时化的IGBT仿真模型。本发明提供的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，所述静态模型的建立过程包括：采用分段函数模拟MOSFET沟道电流；修正所述MOSFET沟道电流；模拟不同工作条件下IGBT的集电极电流。本发明提供的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，所述分段函数 如下式：IC=VceRce,(Vge<Vth,dICdt=0)kf2[(VGE-Vth)(f1VCE-VD)-(f1VCE-VD)22](Vce<Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=kf2(VGE-Vth)2,(Vce≥Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=Itaile-(t-t0)/τ,(Vge<Vth,dICdt<0,Ic>VceRce)]]>其中，K为MOSFET沟道的跨导；VT为MOSFET沟道导通阈值电压；VCE为IGBT集射极电压；Ic为流过IGBT电流即集电极电流；f1和f2为修正函数；Rce为通态电阻；Vge为栅射极电压；τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；t为仿真时间；t0为拖尾电流起始时间；Itail为拖尾电流；Vth为阈值电压；VD为通态压降。本发明提供的另一优选的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，所述修正函数f1和f2为二阶多项式，是对所述MOSFET的沟道电流进行修正，使得到的电流结果能精确反映IGBT的集电极电流。本发明提供的再一优选的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，所述动态模型的建立过程包括：用指数函数进行模拟影响IGBT器件的开通延迟时间和关断的拖尾电流；获取寄生电容参数。本发明提供的又一优选的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，通过输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres与IGBT集射极电压VCE的变化曲线获取寄生电容参数。本发明提供的又一优选的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，所 述热模型受温度影响变化的IGBT器件内部电气参数包括过剩载流子寿命τ，栅极门槛电压VT和跨导KP；并通过下式确定：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(t0)(T0Tj)0.8]]>其中，τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分别为过剩载流子浓度，门槛电压，跨导参数在常温T0时的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)为温度为Tj时的值；Kth为门槛电压的系数。本发明提供的又一优选的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，搭建所述单个IGBT模块，然后将其串联，并在器件级仿真平台上建立由多个IGBT器件串、并联组成的装置。本发明提供的又一优选的一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，通过可编辑逻器实现IGBT纳秒级实时化仿真。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提出IGBT模型能够准确反映IGBT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以及IGBT模块热电耦合特性；2、本发明提供的技术方案准确反映IGBT开关暂态，减小器件的降额使用，降低设备对器件留有的裕量，从而降低成本，提高器件利用率，避免了因为受器件功率水平的限制和在某些大容量、超大容量的电力电子装置设计中需要大量器件的串、并联，甚至无法实现；3、本发明提供的技术方案建模过程简单，参数易于提取，在准确仿真 IGBT器件的开关电压、电流波形的同时，兼顾了温度对器件本身的影响，在FPGA上达到纳秒级实时化的仿真计算速度和效率，增加仿真结果真实性；4、本发明提供的技术方案可以精确预测IGBT的工作行为，了解其内部工作机理和研究电力电子工作状态，并可以反映IGBT器件开关暂态对装置安全运行的影响，在解决工程中实际问题的同时，优化设计，降低成本。附图说明图1为本发明提供的技术方案用于电力电子装置纳秒级实时仿真的IGBT器件模型示意图；图2为本发明提供的技术方案用于模块化多电平换流器MMC仿真模型示意图。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：本例的发明提供一种可实时化的IGBT仿真模型建立方法，所述方法对IGBT的建模基于半导体器件内部结构的等效电路，采用机理与行为混合的技术路线，从器件的内部工作原理和物理结构出发获得器件仿真模型，允许在纳秒级仿真速度下，较为精确的反应IGBT暂态运行情况。模型中包含如图1所示，门极电阻、MOSFET、固定及可变电容、BJT部分。拟建成的IGBT模型如图1所示，Rg为门极电阻；Ig为门极电流；Cgs、Cgd和Cds与等效电容两端电压值有关，因此为变值电容；Vg为门极电压；Imos为MOSFET沟道导电电流；Itail为关断时流过BJT的拖尾电流；Ls为外部杂散电感；g，s，d分别表示MOSFET部分的门极、源极和漏极。由于IGBT自身与BJT的输出特性基本一致，其转移特性与MOSFET一致，因此可以将IGBT看成一个由n沟道MOSFET和PNP型BJT组成的器件。该模型具体分为两个部分：第一部分为IGBT静态模型，用可控电流源实现静态直流特性分析；第二部分为IGBT动态模型，在静态模型基础上，引进动态元件电容，实现IGBT的开关暂态特性分析。所述方法包括：1.静态模型静态模型采用分段函数模拟MOSFET沟道电流，并在最后添加了拖尾函数，以真实反映IGBT关断时出现的拖尾电流现象。分段函数如下(1)式：IC=VceRce,(Vge<Vth,dICdt=0)kf2[(Vge-Vth)(f1Vce-VD)-(f1Vce-VD)22](Vce<Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=kf2(Vge-Vth)2,(Vce≥Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=Itaile-(t-t0)/τ,(Vge<Vth,dICdt<0,Ic>VceRce)---(1)]]>其中K为MOSFET沟道的跨导；VT为MOSFET沟道导通阈值电压；VCE为IGBT集射极电压；Ic为流过IGBT电流即集电极电流。f1和f2为修正函数。根据IGBT的数据手册，可以提取K和VT。当IGBT处于放大区时，根据IGBT数据手册的输出特性曲线Ic-Vce提取多个I-V点反映整个IGBT静态特性，在饱和区内，在同一Vce下，读取数据，绘制与VGE曲线。电流两边取根号，可得如下表达式：Icsat=K2(Vge-VT)---(2)]]>根据曲线斜率和截距即可提取K和VT，当IGBT处于饱和区时，得如下 表达式：IcVce=K(Vge-VT-Vce2)---(3)]]>同理可提取K和VT。f1和f2为二阶多项式，是对MOSFET的沟道电流进行修正，修正后的MOSFET沟道电流，符合IGBT特性，更接近IGBT电流值，使得到的电流结果能精确反映IGBT的集电极电流。将修正后的分段函数等效为一个压控电流源，对应其分别工作与截止区、饱和区和放大区。修正函数f1和f2如下：f1VCE(sat)＝VGE-Vth+VD(4)IC(sat)f2=k(VGE-Vth)22---(5)]]>多项式形式表达：f1=a0+a1VGE+a2VGE2---(6)]]>f2=b0+b1VGE+b2VGE2---(7)]]>常数a和b可通过IGBTDataSheet中IC-VCE特性得到。首先在VGE＝VGE1，记录饱和区的点坐标(IC1(sat)，VCE1(sat))。在不同的VGE，一共收集类似的3个点。将式子(4)(5)(6)(7)合并，并代入合理的VD，Vth，k，得到：VD+VGE-VthVCE(sat)=a0+a1VGE+a2VGE2---(8)]]>2IC(sat)k(VCE-Vth)2=b0+b1VGE+b2VGE2---(9)]]>前3个等式得到a0，a1，a2，后三个等式得到b0，b1，b2。当这些常数全部确定后，可得修正函数f1和f2。如果通过其他更多数据计算多项式系数，高阶多项式也可以实现。2.动态模型拖尾电流是由于IGBT存在PNP晶体管，关断过程中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。拖尾时间取决于载流子寿命和基区宽度。式(1)中，关断拖尾电流部分等效用指数衰减函数描述，其中τ为拖尾时间常数，通常取经验值，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，此时电流为拖尾起始电流Itail0。寄生电容机理推导公式中包含栅-集极交叠面积、基区参杂浓度等复杂参数较难获取。因此，所述模型通过器件数据手册，曲线拟合的方法来提取寄生电容参数。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下：Cies＝Cge+CgcCoes＝Cce+CgeCres＝Cgc(10)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中采用多项式分段拟合，获取近似表达式，再根据式(10)提取寄生电容参数。可以有效的模拟电流电压尖峰、米勒平台、二极管反向恢复电流等开关暂态特性。3.热模型模型热部分建模从内部考虑来看，这是一种兼顾仿真时间同时，相对详细而且准确的方法。本发明所述模型分析受温度影响变化的IGBT器件内部关键电气参数，包括过剩载流子寿命τ，栅极门槛电压VT，跨导KP，相关表达式如下：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(T0)(T0Tj)0.8---(11)]]>其中τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分别为过剩载流子浓度，门槛电压，跨导参数在常温T0时的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)为温度为Tj时的值；Kth为门槛电压的系数，可测量提取。所述方法考虑了半导体器件工作在低温或高温环境时，某些半导体参数的温度敏感性，会导致器件某些特性发生变化，而使含有该器件的系统产生失真或热不稳定性。热模型部分从内部考虑，在仿真时间短、仿真小步小的限制下实行。计算不同温度下，IGBT重要参数的变化，代回模型中进行仿真。所述方法还考虑了器件和线路中产生的杂散参数，提高仿真结果真实性。搭建所述单个IGBT模块，然后将其串联，在器件级仿真平台上建立由多个IGBT器件串、并联组成的装置，如三电平换流器、链式换流器和模块化多电平换流器MMC。模型参数可以全部从器件手册提供的电参数提取。基于FPGA，实现IGBT器件纳秒级实时化仿真，并能反映器件开关暂态过程对装置运行的影响。4.实时化首先采用MatlabSimulink软件搭建IGBT器件离线模型，定步长仿真模式，模块可以采用Simulink自带的模块或者采用c语言S-Function自定义模型。将IGBT器件离线模型实时化可采用速率为2Gb/s的高性能XilinxVertex-7系列FPGA，仿真步长在250ns以内。首先需要将IGBT器件的电路 模型抽象为状态方程模型，包括对模型的改造和生成状态空间矩阵。然后用HDL语言实现对状态方程的建模。最后将IGBT器件原模型中非线性函数单元转换为HDL语言，将状态方程的非线性函数单元联合求解。模型参数提取较为简单，主要基于IGBT生产厂家提供的数据手册，其他一些难以获得参数主要采用经验公式方式得到，因此通用性强，适用于高压大功率IGBT器件或者小功率IGBT器件。所述IGBT器件模型构造简单，可建立集成阀级触发策略的三电平换流器、链式换流器和模块化多电平换流器MMC的电磁暂态模型库，反映IGBT器件开关暂态对装置安全运行的影响。对于电路设计者和器件生产厂商，IGBT模型可以预测IGBT的工作行为，了解其内部工作机理和研究电力电子工作状态。准确反映尖峰电压和尖峰电流，计算其承受应力和开关损耗，减小器件的降额使用，降低设备对器件留有的裕量，从而缩减开发产品的时间，降低成本，提高器件利用率。以装置模块化多电平变流器(MMC)为例，如图2所示，所述模块化多电平换流器MMC模型为三相结构，每相通过电抗器串联的上、下两桥臂组成，每个桥臂均由MMC子模块串联组成；所述MMC子模块2包括并联的电容支路和H桥半桥；所述H桥半桥包括两相两桥臂，每个桥臂由所述IGBT器件1以及与其反并联的二极管组成。所述IGBT器件模型所搭建MMC装置仿真模型可以满足纳秒级实时仿真的计算速度要求，并且可以反映IGBT器件的开关暂态对MMC装置的影响。采用三菱公司生产的CM450DXL-34SA型1.7kV/450A-IGBT功率模块作为此模型测试模块，并从厂家提供的Datasheet中提取IGBT模块开关暂态模型的关键参数。IGBT器件离线模型采用MatlabSimulink软件，定步长仿 真模式，模块可以采用Simulink自带的模块或者采用c语言S-Function自定义模型实现。栅极驱动信号Ug通过输出+15V与0V来分别控制不同IGBT模块的工作状态。IGBT热特性部分模型计算相应温度下瞬时器件电气参数，对现有电气参数进行修正，直至温度改变，重新计算并修正改变温度下的电气参数。为实现MMC纳秒级开关暂态仿真，仿真步长要求在50ns以内，MMC装置需要由所述IGBT器件搭建，并植入速率为2Gb/s的多个FPGA通讯模块上。高性能FPGA根据接收到的开关元件指令信号相应的计算出模块电压和桥臂电压等。所述IGBT器件级仿真模块的接口采用IP核。基于FPGA，由IGBT器件模型所搭建起的MMC装置模型不仅可以实时仿真，计算速度达到纳秒级，而且仿真结果可以准确反映器件开关暂态过程中的尖峰电压、电流，dv/dt、di/dt和功率损耗，以及IGBT器件的开关暂态对装置安全运行的影响。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。当前第1页1 2 3