一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法与流程

本发明涉及电力电子技术仿真领域，更具体涉及一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法。
背景技术：
：：绝缘栅双极性晶体管集合了功率MOSFET与双极型器件的双重优点，具有输入阻抗高、耐高压、承受电流容量大、开关速度快等特性，受到了越来越多的关注和研究。在当前电力电子
技术领域：
，高压IGBT与二极管构成开关模块已经广泛应用于各种电压源型电力电子变换装置中，如电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)、静止无功补偿器(STATCON)等，对于其开关暂态过程的研究及建模越来越重要。因此，建立精确的热电耦合IGBT模块暂态模型，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。目前，在电力电子器件的建模研究中，主要采用机理模型和行为模型两大类。机理模型是利用半导体物理学知识对载流子的电学行为进行简化得到解析表达式进而求解物理方程。其典型代表有：Hefner模型，KuangSheng模型和Kraus模型。机理模型的参数获取对于缺少器件物理知识的用户来说非常困难，且模型含有复杂的半导体物理方程，计算量大，仿真时间长，存在计算收敛等问题。行为模型相对仿真速度比较快，但是只考虑器件外特性，物理概念不清楚，参数不易调整，模型通用性相对较差。采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度、仿真速度、热学特性对器件电气参数影响以及IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响，避免求解复杂的半导体物理方程，基于器件手册数据， 提取暂态模型的关键参数，建立相应暂态模型及热学特性模型，共同构成可模拟IGBT模块电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性及热学特性的热电耦合IGBT模块暂态模型显得尤为重要。技术实现要素：：本发明的目的是提供一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，不仅可以实现电路仿真中IGBT模块的各种运行状态，而且可以在纳秒级小步长下模拟IGBT模块的电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性并考虑温度损耗等热学特性对器件参数的影响，模拟热电耦合特性。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，包括：建立IGBT模块开关暂态模型；建立IGBT平均功耗模块；建立IGBT平均热阻模块；建立IGBT热电耦合模块；根据所述模块建立热电耦合IGBT模块暂态模型。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述IGBT模块开关暂态模型包括建立的IGBT开关暂态模型和建立的反并联二极管反向恢复模型。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述IGBT平均功耗模块包括开通功耗、关断功耗和通态功耗。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，假设占空比为δ，流过IGBT模块的电流为正弦信号：iC＝ICMsinα，随着载波频率的提高， 导通损耗减小，半周期内总的导通损耗不变，半周期内IGBT的通态功耗为：P1=12π∫0πVCEiCδdα=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ]]>其中，α为电流相角，VCE为IGBT模块两端电压，VCEN和ICN为数据手册上额定电压和额定电流，VCE0为门槛电压，ICM为正弦信号幅值。设tr和tf分别为器件的上升和下降时间，f为开关频率，得到所述正弦信号一个周期开通功耗为：EON=12π∫oπ12VCEiCtrdα=12πVCENtrICM]]>同理可得一个周期内的关断损耗：EOFF=12πVCENtfICM]]>由叠加原理，总的开关损耗功率为开通关断功耗的和:P2＝(EON+EOFF)×f由上述分析可得，在假设条件下，一个IGBT总的功耗为:P=P1+P2=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ+(12πVCENtrICM+12πVCENtfICM)×f]]>本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，建立所述IGBT平均热阻模块前提包括：假设IGBT热传导率与温度无关；假设IGBT中存在一个统一的结温，所述结温是某个平均结温，也就IGBT结到管壳间的平均热阻。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述平均热阻RT通过下式确定：RT=ΔTP=Tj-TCP]]>Tj＝TC+PRT其中，Tj为结温，TC为常温298K，P为平均功耗。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述热电耦合IGBT模块暂态模型中受温度影响变化的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。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述IGBT开关暂态模型包括MOSFET-BJT模块、拖尾电流模块和寄生电容模块。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述MOSFET-BJT模块通过将所述拖尾电流模块中的拖尾电流和当IGBT工作于不同状态时，采用压控电流源来模拟所述IGBT模块开关暂态模型的通态电流IC结合获得；所述通态电流IC，其解析表达式如下：IC=(1+β)Imos=0,Vge≤VTK(Vge-VT-Vce2)Vce,Vce≤Vge-VTK(Vge-VT)22,Vce>Vge-VT]]>其中，等效跨导K＝(1+β)Kp；Vge为栅射极电压；VT为IGBT导通门槛电压；Vce为IGBT集射极电压；Kp为MOSFET的跨导参数；β为BJT电流增益；Imos为流过MOSFET电流；所述拖尾电流通过下式确定：Itail=βImose-t-t0τ=Itail0e-t-t0τ]]>其中，τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；t为拖尾起始后仿真时刻；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，此时集电极电流为拖尾起始电流Itail0；利用输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres与极间电容的关系，结合IGBT模块器件手册数据，得各极间寄生电容值，完成寄生电容模块。本发明提供的一种热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，所述反并联二极管反向恢复模型结合二极管反向恢复特性，并基于器件数据手册，建立其相应模型。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针对高压IGBT模块应用场合，基于现有模型研究，采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速度，避免求解复杂的半导体物理方程，基于器件手册数据，提取暂态模型的关键参数；2、本发明提供的技术方案的模型，物理概念清晰，将热学特性对器件电气参数影响以及IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响综合考虑，结果真实可靠；3、本发明提供的技术方案的参数显著减少且容易提取，易调整，适用于不同IGBT及高压应用场合；4、本发明提供的技术方案不仅可以实现电路仿真中IGBT模块各种运行状态，而且可以在纳秒级仿真步长下模拟高压IGBT模块的电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性及器件热电耦合特性；5、本发明提供的技术方案，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。附图说明图1为本发明提供技术方案的热电耦合IGBT模块暂态模型结构图；图2为本发明提供技术方案IGBT模块开关暂态模型电路图；图3为本发明提供技术方案MOSFET-BJT模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图4为本发明提供技术方案二极管反向恢复模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图5为本发明提供技术方案极间寄生电容模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图6为本发明提供技术方案平均功耗模块结构示意图；图7为本发明提供技术方案平均热阻模块结构示意图；图8为本发明提供技术方案热电耦合模块结构示意图；图9为本发明提供技术方案用于测试及验证模型正确性的二极管箝位的阻感性负载IGBT模块测试电路图；图10为本发明提供技术方案在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路与SABER仿真软件下搭建的测试电路仿真波形对比图；图11为本发明提供技术方案在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路仿真波形与实验实测数据对比图。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热电耦合IGBT模块暂态模型建立方法，包括：步骤1：建立IGBT开关暂态模型；步骤2：建立反并联二极管反向恢复模型；步骤3：根据步骤1和步骤2所得到的IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者按照IGBT模块电路结构连接，添加电路结构模块和控制参数模块，建立IGBT模块开关暂态模型。步骤4：建立IGBT平均功耗模块。步骤5：建立IGBT平均热阻模块。步骤6：建立IGBT热电耦合模块。步骤7：将上述步骤建立的模块组成完整热电耦合IGBT模块暂态模型。IGBT暂态模型包括MOSFET-BJT模块、拖尾电流模块、寄生电容模块，具体对上述三种模块进行建模如下：(1)MOSFET-BJT模块：IGBT导通时，内部有两个电流通路：1)电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结构。2)空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构。IGBT工作于不同状态时，可采用压控电流源来模拟IGBT模块的通态电流IC，其解析表达式如下：IC=(1+β)Imos=0,Vge≤VTK(Vge-VT-Vce2)Vce,Vce≤Vge-VTK(Vge-VT)22,Vce>Vge-VT---(1)]]>其中，等效跨导K＝(1+β)Kp；Vge为栅射极电压；VT为IGBT导通门槛电压；Vce为IGBT集射极电压；Kp为MOSFET跨导；β为BJT电流增益；Imos 为流过MOSFET电流；IC为流过IGBT电流即集电极电流；(2)拖尾电流模块：在IGBT关断暂态过程中，由于IGBT存在BJT，基区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。Itail=βImose-t-t0τ=Itail0e-t-t0τ---(2)]]>其中τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；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，此时集电极电流为拖尾起始电流Itail0。将所述式(2)添加至所述式(1)中，即得完整的MOSFET-BJT模块。(3)寄生电容模块：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+Cge(3)Cres＝Cgc利用所述式(3)结合IGBT器件手册数据，得到各极间寄生电容值，从而完成寄生电容模块。反并联二极管反向恢复模型采用宏模型的思路，结合二极管反向恢复特性，基于器件数据手册，建立相应模型。所述模型相关参数如式(4)所示。τre=LR=1ln10(trr-IrmdIf/dt)Irm=QrrdIfdttrr=2QrrdIf/dtK=IrmLdIf/dt=1LQrrdIf/dt---(4)]]>其中，τre为反向恢复衰减时间常数；R和L为自由量，根据电路仿真要求及实际器件情况，可取L＝100nH，则R根据式(4)取相应值即可；Irm为反向恢复峰值电流；dIf/dt为反向恢复电流斜率；trr为反向恢复时间；Qrr为反向恢复电荷量，Kre为反向恢复比例系数。将上述两个模型，按照IGBT模块电路结构连接，由电路结构模块和自定义控制参数模块组成完整IGBT模块暂态模型电路。封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT压控电流源和二极管反向恢复电路组成。IGBT平均功耗模块包括开通功耗、关断功耗和通态功耗三部分构成，具体对上述三个部分分析如下：IGBT典型的电压电流曲线(V/A)中的门槛电压和电流可以用数学插值或者多项式来将曲线线性化，即：VCE=(VCEN-VCE0ICN)iC+VCE0---(5)]]>其中VCEN、ICN分别为额定状态下IGBT模块两端电压及流过的电流，可以由数据手册直接得到。VCE0为门槛电压，通过取点拟合出曲线，也可以得到门槛电压数值。假设占空比为δ，流过IGBT模块的电流为正弦信号：iC＝ICMsinα，随着载波频率的提高，导通损耗减小，可以认为半周期内总的导通损耗不变，半周期内IGBT的通态功耗为：P1=12π∫0πVCEiCδdα=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ---(6)]]>其中α为电流相角，VCE为IGBT模块两端电压，VCEN和ICN为数据手册上 额定电压和额定电流，VCE0为门槛电压，ICM为正弦信号幅值。设tr和tf分别为器件的上升和下降时间，f为开关频率，利用数学的方法，结合积分的原理，认为一次开通过程中所损耗的能量为典型的开关波形曲线下面的面积，可以得到正弦信号一个周期开通功耗为：EON=12π∫oπ12VCEiCtrdα=12πVCENtrICM---(7)]]>同理可得一个周期内的关断损耗：EOFF=12πVCENtfICM---(8)]]>由叠加原理，总的开关损耗功率为开通关断功耗的和:P2＝(EON+EOFF)×f(9)由上述分析可得，在假设条件下，一个IGBT总的功耗为:P=P1+P2=VCEN-VCE04ICNδICM2+δVCE0ICMπ+(12πVCENtrICM+12πVCENtfICM)×f---(10)]]>IGBT平均热阻模型建立有两个前提：(1)假设热传导率与温度无关，实质上是将半导体芯片中本来是非线性的导热问题线性化了。(2)假设半导体芯片中存在一个统一的结温，不过此结温仅是某个平均结温而已，所以涉及的也是一个平均热阻，也就是结到管壳间的平均热阻。模型建立过程如下：热阻反映了器件散热性能得好坏，热阻比较大表示器件得散热能力比较差；反之，热阻比较小表示器件得散热能力比较好，这样的器件即使长时间工作也没有烧毁的危险。本发明基于器件手册，提取IGBT和续流二极管热阻参数。根据器件手册中IGBT以及反并联二极管的热阻与脉冲宽度变化的曲线，在Matlab中采用曲线拟合法，获得热阻参数解析表达式。则任意给定脉宽可得到相应热阻，由式(10)可得平均功耗P，由此得到计算结温计算公式：RT=ΔTP=Tj-TCP---(11)]]>Tj＝TC+PRT(12)Tj为结温，TC为常温298K，P与RT由公式可得到，最终可得到结温Tj，即由功耗输入可以计算出结温的输出。IGBT热电耦合模型的建立过程如下：半导体器件工作在低温或高温环境时，由于某些半导体参数的温度敏感性，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。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---(13)]]>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，可以测量提取到，这里可取9mV/K。模型自定义参数模块主要包括寄生电容参数模块、MOSFET-BJT电流源模块以及二极管反向恢复电流源模块。该模块接受电路结构模块以及暂态模型中各节点电压和支路电流值，根据权利要求2所述建模方法，自定义编程模块，输出寄生电容、MOSFET-BJT压控电流源及二极管电流源参数给电路结构模块。图1所示，IGBT功耗模块根据IGBT模块开关暂态模型获得的电压和电 流值计算出IGBT瞬时功耗参数传递给所述步骤5中IGBT热阻模块，再计算得到IGBT结温参数，传递给所述步骤6中IGBT热电耦合模块，计算得到相应温度下瞬时器件电气参数，输入至所述步骤3中IGBT模块开关暂态模型，形成完整的热电耦合暂态闭环系统。图2中，IGBT模块由电路结构模块和自定义参数模块构成。封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT压控电流源和二极管反向恢复电路组成。用软件模块采集各节点电压和支路电流值输入给模型自定义参数模块，同时接受自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电压电流的控制。电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。图3为自定义参数模块，主要包括MOSFET-BJT电流源模块、二极管反向恢复电流源模块以及寄生电容参数模块。自定义参数模块接受电路结构模块以及暂态模型中各节点电压和支路电流值，根据所述建模方法，自定义编程模块，输出寄生电容、MOSFET-BJT压控电流源及二极管电流源参数给电路结构模块。图4为MOSFET-BJT电流源模块，其中模块输入为导通门槛电压VT、栅射极电压Vge、集射极电压Vce、集电极电流IC、仿真时间t以及相关控制参数等，而输出为MOSFET-BJT压控电流源的电流值Imos1。通过内部按照所述步骤1内容自定义编程实现，模拟MOSFET与BJT的特性。图5为二极管反向恢复电流源模块，其中模块输入为二极管电流Id、仿真时间t、反向恢复电流峰值Irm、反向恢复电流斜率dif等反向恢复参数，而输出为二极管反向恢复电流源的电流值If。通过内部按照所述步骤2内容自 定义编程实现，模拟二极管的反向恢复特性。图6为极间寄生电容模块，其中模块输入为集射极电压Vce、仿真时间t，而模块输出为输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres。通过器件手册电容特性曲线自定义编程实现，再按照所述步骤3转化成极间寄生电容Cge、Cgc和Cce。图7为IGBT热学特性模块。IGBT功耗模块根据暂态模型获得的电压和电流值计算出IGBT瞬时功耗参数传递给IGBT热阻模块，再计算得到IGBT结温参数，传递给IGBT热电耦合模块，计算得到相应温度下瞬时器件电气参数。图8为IGBT模块平均功耗模块。其中模块输入为IGBT模块瞬时集射极电压Vce和集电极电流IC，输出为IGBT模块平均功耗P，输入至IGBT热阻模块。通过内部按照所述步骤4内容自定义编程实现，模拟IGBT模块平均功耗特性。图9为IGBT平均热阻模块。其中模块输入为IGBT模块平均功耗P，瞬时IGBT模块热阻RT以及常温时IGBT结温TC，输出为IGBT模块瞬时结温。通过内部按照所述步骤5内容自定义编程实现，模拟IGBT模块平均热阻特性。图10为IGBT热电耦合模块。其中模块输入为IGBT模块热阻模块输出瞬时结温，输出为过剩载流子寿命τ，栅极门槛电压VT，等效跨导K。通过内部按照所述步骤6内容自定义编程实现，模拟IGBT模块热电耦合特性，分析器件关键电气参数受温度的影响。图11为用二极管箝位的阻感性负载电路作为高压IGBT模块开关暂态模型测试电路。其中，续流二极管用IGBT模块代替，RG为栅极外部电阻取6Ω， LL为感性负载取50uH，RL为负载电阻取2.2Ω，外部电压VCC为1kV。表1IGBT模块开关暂态模型关键参数表1为以三菱公司生产的CM450DXL-34SA型1.7kV/450A-IGBT功率模块为例，IGBT模块开关暂态模型的关键参数。两路栅极驱动信号Ug1和Ug2通过输出+15V与0V来分别控制IGBT1模块和IGBT2模块的工作状态。测试电路中，Ug1恒定为0V，即IGBT1保持关断，只起续流二极管作用。通过控制Ug2输出电压+15V与0V先导通IGBT2模块，对负载电感LL充电，将电路电流升至450A，再关断IGBT2模块得到IGBT2模块的关断电流和电压暂态波形，负载电感通过IGBT1模块中二极管续流，再开通IGBT2模块得到相应的开通电压电流暂态波形来测试模型稳态和暂态特性，PSCAD和SABER的仿真波形对比结果如图6所示。为进一步验证模型正确性，采用IGBT型号为SGH40N60，续流二极管的型号为HFA25TB60，根据相应型号器件手册，提取并修改相关仿真参数，仿真波形与实验实测数据对比结果如图7所示。通过PSCAD仿真波形与SABER仿真波形以及实验实测数据对比，本发明提出的实用热电耦合IGBT模块暂态模型不仅能够实现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。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