用于电磁干扰仿真分析的igbt模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于电磁干扰计算机仿真的IGBT模型。
【背景技术】
[0002] 绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor,IGBT)广泛应用于电 力电子设备和系统中。在提高功率密度的同时，其开关状态工作时产生的巨大的电压变化 率（dv/化）和电流变化率（di/化），也带来了非常显著的宽带电磁干扰巧lectro-Magnetic Interference,EMI)。为了在电力电子设备和系统的设计阶段就能够对其所使用的IGBT的 EMI水平进行评估和预测，需要进行计算机仿真分析。运就对IGBT模型在EMI方面的计算 精度提出了要求。
[0003]IGBT模型可W分为两大类，物理模型和行为模型。物理模型根据IGBT基本结构、 载流子分布变化原理，利用半导体物理方程求解载流子变化表达式，实现对IGBT电气特性 的建模，其特征是W物理机理方程为建模基础。行为模型在建模时，将IGBT视为"黑箱"， 通过测试器件外部特性，总结出经验关系式、数据库或是等效电路。行为模型不关屯、其内部 物理机理，其特点是方程由器件外特性曲线拟合而成，并非由器件物理机理严格推导得到。 运两类方法在EMI预测上都有应用。物理模型方法精确性更高，但一方面，建模需要了解器 件内部参数，不同厂家能够提供的参数不同，且均有部分参数无法通过公开资料获得；另一 方面，物理模型的应用需要EMI分析人员对半导体物理学有较深入的了解，大大提高了物 理模型使用的难度。所W物理模型建模方法实用性较差。行为模型更适合用于EMI仿真分 析，但目前采用的用于EMI仿真的IGBT行为模型没有包含IGBT内部的反并联二极管，运影 响了仿真精度，特别是IGBT集电极电流的仿真精度。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是克服现有IGBT模型用于EMI仿真分析时的缺点，提出一种用于电力 电子设备和系统EMI仿真预测的IGBT行为模型。
[0005] 本发明所述模型包含两个相互并联的部分JGBT正向导通部分和反并联二极管 部分。IGBT正向导通部分包含四个相互并联的支路，反并联二极管部分包含Ξ个相互并联 的支路，其中，二者共同包含一个由电阻3。35和电容C35串联构成的支路，该支路和IGBT正 向导通部分和反并联二极管部分并联。该电阻氏35和电容Cse串联构成的支路由IGBT正 向导通部分模型的第四支路和反并联二极管部分模型的第Ξ支路合并构成，该支路和IGBT 正向导通部分和反并联二极管部分并联，电路结构仍为电阻电容串联形式。该支路的元件 值通过W下方法计算得到一一电阻氏35的值等于IGBT正向导通部分第四支路第一阻尼电 阻氏3和反并联二极管部分第Ξ支路第二阻尼电阻R的平均值，电容C35的值等于IGBT正 向导通部分第四支路第Ξ等效电容C3和反并联二极管部分第Ξ支路第五等效电容C5的平 均值。
[0006] 所述IGBT正向导通部分的模型包括W下元件：表示IGBT正向导通、反向截止特性 的第一理想二极管的，表示IGBT关断过程中电压上升速率及振荡频率的集电极-发射极等 效电容(：1八2八3，表示1681'关断过程中电压振荡衰减速率的第一阻尼电阻氏3，在1681'关断 过程中切换IGBT集电极-发射极等效电容的理想开关Sti和S。2。
[0007] 所述IGBT正向导通部分模型可包括表示IGBT导通损耗的电阻馬，也可不包括该 元件。
[0008] 所述IGBT正向导通部分的模型包含四个相互并联的支路，第一理想二极管的与 电阻馬串联构成第一支路，其中第一理想二极管Dy的阳极与IGBT的集电极相连，电阻Ry的 另一端与IGBT的发射极相连；第一等效电容。与第一理想开关S。1串联构成第二支路；第 二等效电容C2与第二理想开关S。2串联构成第Ξ支路；第Ξ等效电容C3与第一阻尼电阻Re3 串联构成第四支路。
[0009] 所述IGBT正向导通部分模型的理想开关的闭合、断开状态为：在IGBT开通瞬态过 程和导通过程中，第一理想开关5。1、第二理想开关St2均处于闭合状态。在IGBT关断瞬态 过程中，将其按照时间顺序分成Ξ段：电压上升段、电压过冲段、电压振荡段，在电压上升段 中，各个开关均处于闭合状态；电压过冲段中第一理想开关Sti处于断开状态，第二理想开 关St2处于闭合状态；电压振荡段中，第一理想开关S。1，第二理想开关St2均处于断开状态。
[0010] 所述反并联二极管部分的模型包括W下元件：表示反并联二极管正向导通、反向 截止特性的第二理想二极管Dd，表示二极管反向恢复特性的第一等效电容C4和第二等效电 容Cs，表示二极管反向恢复电流振荡衰减速率的第二阻尼电阻Rte，在IGBT开通过程中切换 反并联二极管等效电容的第Ξ理想开关5。3。
[0011] 所述反并联二极管部分的模型包含Ξ个相互并联的支路，第二理想二极管Dd构成 第一支路，第四等效电容C4与第Ξ理想开关S。1串联构成第二支路，第五等效电容Cs与第二 阻尼电阻氏5串联构成第Ξ支路。
[0012] 所述第一理想二极管Dv和第二理想二极管Dd阳极、阴极方向相反。第二理想二极 管Dd的阴极连接至IGBT的集电极，第二理想二极管Dd的阳极连接至IGBT的发射极。
[0013] 所述反并联二极管部分模型的理想开关的闭合、断开状态为：在反并联二极管开 通瞬态和反并联二极管稳态导通过程中，第Ξ理想开关St3处于闭合状态；在反并联二极管 由正向导通转为反向截止的关断瞬态中，针对母线电流将该过程按时间顺序分为两段，母 线电流上升段、母线电流振荡段，在母线电流上升段中，第Ξ理想开关St3处于闭合状态，母 线电流振荡段中，第Ξ理想开关St3处于断开状态；在反并联二极管处于关断状态时，第Ξ 理想开关St3处于断开状态。所述母线电流是串联有IGBT的直流母线的电流。
[0014] 本发明所述模型的元件参数抽取包括Ξ个主要步骤JGBT正向导通部分模型的 参数抽取，反并联二极管模型的参数抽取，W及两部分参数的合并。具体描述如下：
[0015] 1、所述IGBT正向导通部分模型的元件参数通过连接电阻性负载的IGBT单脉冲实 验抽取。
[0016] 所述IGBT单脉冲实验电路包含：可调直流稳压电源、电阻性负载、待建模IGBT、 IGBT驱动电路、电压电流测量装置。所述电压电流测量装置包含示波器、电压探头、电流探 头等。
[0017]所述待建模IGBT与电阻性负载串联，由可调直流稳压电源供电，所述电压电流测 量装置测量待建模IGBT的集电极-发射极电压和集电极电流。
[001引所述连接电阻性负载的IGBT单脉冲实验中需记录的电气量包括：待建模IGBT关 断的集电极-发射极电压波形V。。和电流波形it，IGBT关断前、稳定导通时的集电极电流I。。
[0019] 所述IGBT正向导通部分模型的参数抽取具体方法为：
[0020] (1)抽取集电极-发射极等效电容基参数：
[0021] 将可调直流稳压电源输出电压设定为待建模IGBT最大安全工作电压；通过IGBT 驱动电路向IGBT口极注入驱动信号，使之开通关断一次，由电压电流测量仪器记录IGBT关 断瞬态过程中的集电极-发射极电压波形V。。和电流波形i。，W及IGBT关断前、稳定导通 时的集电极电流I。。。,;根据电压上升段的波形，计算该段对应的集电极-发射极等效电容基 Cce_base，该参数与电流波形i。、电压波形Vee、IGBT转移导纳Gm、IGBT口极电压阔值Vth相关，
[0022]
(1)
[0023] 其中，t。是所述电压上升段的起始时刻，t1是所述电压上升段的终止时刻，V。。。是 t拥刻的集电极-发射极电压，V。61是t拥刻的集电极-发射极电压。
[0024] (2)计算待进行EMI预测的工况下的IGBT集电极-发射极等效电容：
[00巧]调整可调直流稳压电源的输出电压，使之等于待进行EMI预测的工况的母线电 压，通过IGBT驱动电路向