适用于电力电子变换器动态仿真分析的IGBT功能模型

适用于电力电子变换器动态仿真分析的IGBT功能模型邓夷赵争鸣袁立强（电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，清华大学电机工程与应用电子技术系，北京，100084）电子邮箱：[e-mail]sforCircuitSimulationofPowerElectronicsConvertersDengYiZhaoZhengmingYuanLiqiang（StateKeyLaboratoryofControlandSimulationofPowerSystemandGenerationEquipment,DepartmentofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,China）ABSTRACT:InsulatedGateBipolarTransistor(IGBT)hasbeenwidelyusedinrecentyearsduetoitsgreatperformanceinpowerelectronicsconverters.AfunctionalmodelofIGBTsispresentedinthispaper,whichissuitableforthesimulationandcomputer-aideddesignofpowerelectronicsconverters.ThismodelisbasedontheexternalphysicalcharacteristicsofIGBTandisrealizedwiththesimulationtoolofPSIMpackage.Highsimulationspeed,easyparametersdeterminationandclearphysicalmeaningareitskeyfeatures.Thispaperdescribestheequivalentcircuitandstructureofthemodel,anddepictstheparametersdeterminationofthemodelforanIGBTtypeofFF300R12ME3indetails.Theaccuracyofthemodelisprovedbytheconformityofthesimulationandexperimentresults.KEYWORDS:IGBT;functionalmodel;PSIM;converter摘要：IGBT(绝缘栅双极晶体管)由于其优越的性能在电力电子变换器领域中得到了广泛应用。本文描述了一种适用于电力电子变流仿真和计算机设计的IGBT功能型模型。该模型依据IGBT的主要外部物理特性，在PSIM软件包下建立等效电路，具有计算速度快、参数求解简单、物理概念明确的特点。本论文详细描述了该模型的等效原理和模型构成，以FF300R12ME3型IGBT为例，给出了模型主要参数，并进行实验验证。仿真和实验结果对比证明了该模型的有效性。关键词：IGBT;功能模型;PSIM;变换器1引言绝缘栅双极晶体管(IGBT)集MOSFET的输入特性和BJT的输出特性于一体，具有栅极驱动功率低、工作频率高、输出电流大和通态电阻小等优点。----------------------------------------------------------基金项目：国家自然科学基金重点项目（50737002）因而，IGBT在电力电子领域的应用日益广泛，目前已成为昀有发展前途的大功率器件之一。随着电子产品开发周期的变短，要获得经济和市场的成功，仿真已成为越来越重要的手段。电力电子电路仿真的关键是电力电子器件的仿真，建立适合系统级仿真的器件模型显得尤为重要。在电力电子器件的建模研究中，有两种建模方法被广泛采用，即基于物理结构的数理模型法和基于器件外特性的功能模型法[1]。利用前一种方法，AllenRHefner创建了IGBT的稳态和瞬态模型[2,3]，并将其成功地移植到了SABER仿真软件中[4]；KuangSheng创建了D-IGBT的数理模型[5]，主要用于Pspice仿真软件；还有主要用于SABER软件的NPT-IGBT的Kraus物理模型[6]，等等。这些模型对器件的稳态或者动态特性描述比较准确，是关于IGBT的比较成功的模型。但是，它们都要求用户很清楚地知道IGBT的内部结构和每个阶段的工作过程，尤其是模型参数值的确定较为复杂，对于一般使用器件的用户来说是有些困难的[7]，因此很难把这些模型用到实际生产中。此外，数理模型需要极小的仿真步长和大量的CPU时间，计算量大，不能胜任含有大量器件的大规模仿真电路的要求。本文从实际应用的角度出发，分析了IGBT的开关工作原理，以电力电子专用仿真软件PSIM软件包为仿真工具，建立了IGBT的功能模型。该模型具有计算速度快、参数求解简单、物理概念明确的特点，适合对仿真时间有要求的复杂系统的仿真，实现了模型准确度和仿真速度的有效折中。仿真和实验结果对比证明了该模型的有效性。2IGBT结构和等效电路IGBT结构如图1（a）所示。与MOSFET相比，IGBT多了一层p+注入区，形成了一个基极电流由MOS栅压控制的双极晶体管，这也是IGBT名字的由来。IGBT的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，使IGBT关断。与MOSFET不同的是，由于PNP晶体管的存在，IGBT关断时载流子的消失需要一定的复合时间，会形成相应的拖尾电流。IGBT的等效电路如图1（b）所示。（a）结构（b）等效电路图1IGBT结构和等效电路图Fig.1StructureandequivalentschemeofIGBTs3IGBT的开通与关断过程分析3.1开通过程IGBT的开通过程与MOSFET类似，可以分为如图2所示的四个阶段[8,9]。这几个阶段的区别就在于，各个阶段所对应的输入电容不同。图2IGBT的开通过程电路模型Fig.2Turn-oninputmodelsforIGBT在分析IGBT的栅极充电行为时，上述四个阶段均可用图3所示的等效电路来代替。其中，Vg为栅极驱动信号，onR为栅极回路等效电阻，L1为栅极回路等效电感，1C为该阶段等效输入电容。图3开通过程栅极充电等效电路Fig.3Equivalentcircuitofgatechargeinturn-onprocess在图3的等效电路下，电容C1上的电压（即IGBT的栅极-发射极电压）GEu满足如下的变化规律：21112GEGEonGEgduduLCRCuVdtdt++=（1）从式（1）可以看出，在栅极驱动电压Vg、栅极充电电阻Rg不变的情况下，栅极电压驱动至阈值电压()GEthU所需时间，也即从发出开通信号到IGBT真正开始导通的时间（开通延时时间）基本不变。这是后面模型模拟门极控制信号的依据。对于IGBT的开通过程，本文所关心的是器件端电压的变化。当IGBT集-射极电压下降到接近于通态压降时，认为器件已处于完全导通状态。因此，上升时间（器件开始导通到完全导通的时间）对应的栅极充电过程可以一个等效输入电容来代替，即GEu满足式（1）的变化规律。其中C1为开通过程的等效输入电容。在开通过程中，集电极电流Ci与GEu成线性关系，即()()CGEGEthfsiuug=−⋅（2）其中，fsg为器件的跨接电导。在通常情况（阻性或近似阻性负载）下，设负载电阻为CR，则有()()CECCCCCCGEGEthfsCuViRVuugR=−⋅=−−⋅⋅（3）由式（1）、（2）和（3）即可得到CEu应满足的关系为21112CECEonCEduduLCRCudtdt++()()CCgGEthfsCVVugR=−−⋅⋅（4）依照CEu的此变化规律，即可实现对IGBT开通过程的模拟。3.2关断过程IGBT的关断分为两个阶段，MOS电流关断阶段和晶体管电流拖尾阶段。对这两个阶段用不同的电路分开模拟。3.2.1MOS电流关断阶段该过程与IGBT的开通过程正好相反，具体过程可参见图2。此时的等效电路如图4所示。-Vg为栅极驱动信号，offR为栅极回路等效电阻，L2为栅极回路等效电感，2C为该阶段等效输入电容。图4关断过程栅极放电等效电路Fig.4Equivalentcircuitofgatechargeinturn-offprocess与开通过程的分析类似，不同的是此时的研究对象为IGBT的阳极电流Ci。同理可得到其满足的关系为221212CConCdidiLCRCidtdt++()()GEthgfsuVg=−+⋅（5）3.2.2拖尾电流阶段在该阶段中，IGBT阳极电流按指数规律下降。可以用一阶RC电路进行模拟[10]，也可以根据实测波形，加入适当的电感参量，用LRC电路进行模拟。具体可依仿真精度和掌握的数据量而定。4IGBT功能性模型4.1模型结构与上面的分析相对应，可搭建如图5所示的IGBT功能模型。该模型分为四个部分：开通和关断延时电路、开通和关断稳态电路、开通暂态模拟电路和关断暂态模拟电路。如前面所分析，在栅极驱动回路不变的情况下，开通延时时间和关断延时时间基本不变，所以可以用图5（a）的延时子电路来模拟门极控制信号的影响。模型是以IGBT的端电压和阳极电流为研究对象。在开通稳态时，端电压近似为零；在关断稳态时，阳极电流近似为零。可以用图5（b）的稳态子电路来模拟。另加电压传感器Vsen和电流传感器Isen来与暂态电路配合。开通过程考查的是IGBT的端电压的变化。图5（c）的开通暂态电路中，电容Con上电压满足22CCCduduLCRCudtdt++,(0)CduEonCdt=−（6）与式（4）对应。可求得1221((1)(/()tCEonukeλλλλ=+−−2121()/()))tEonvsenCEoffekkVλλλλ−−⋅⋅（7）其中，()CEoffV为IGBT关断时端电压，且2122(()4)/(2),(()4)/(2)RCRCLCLCRCRCLCLCλλ=−+−=−−−（8）稳定时电容Con上电压为零，满足开通暂态的要求。关断过程考查的是IGBT的阳极电流的变化。图5（d）的关断暂态电路与式（5）对应，稳定时电容Coff上电压为零，满足关断暂态的要求。（a）开通关断延时电路（b）稳态模拟电路（c）开通暂态模拟电路（d）关断暂态模拟电路图5IGBT功能模型Fig.5DiagramoftheIGBTfunctionalmodel4.2模型参数以infineon生产的FF300R12ME3型IGBT为例来说明IGBT功能模型的参数计算。该型号IGBT的主要参数如表1所示。可以求得模型参数如表2所示。表1FF300R12ME3主要参数Table1ThekeyparametersoftheIGBT-FF300R12ME3参数名称参数说明参数值CESV断态重复峰值电压1200VCRMI重复峰值电流600ACEsatV集-射极饱和压降2VCESI集电极断态漏电流≤5.0mA()GEthV门极开启电压5.8Vtdon开通延时时间0.3usrt上升时间0.1ustdoff关断延时时间0.65usft下降时间0.16us表2IGBT模型关键参数意义及取值Table2ThemainparametersoftheIGBTmodel参数名称参数说明参数值tdon开通延时时间0.3ustdoff关断延时时间0.65usfT从延时后的关断信号到进入拖尾的时间0.1usCon模拟开通电路的电容值44.2362nFCoff模拟关断电路的电容值134.7966nFRLon模拟开通电路的阻抗值4.9Ω+0.25uH1RLoff模拟MOS电流关断的阻抗值4.9Ω+0.25uH2RLoff模拟拖尾电流的阻抗值0.3709ΩEonk模拟开通电路的电压源比例系数3.11791Eoffk模拟MOS电流关断的电压源比例系数8.60972Eo