大功率IGBT器件的参数化建模及分析.pdf

总第 484 期2023 年第 4 期大功率 IGBT 器件的参数化建模及分析刘斐，毛凯翔（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）摘要：在大功率 IGBT 模块换流回路中，由于回路杂散电感和 di/dt 的共同作用，IGBT 在开通和关断过程中会承受较大的电压和电流应力，增大了系统损耗和电磁干扰，降低了系统可靠性，严重影响系统的安全稳定运行。传统的分析方法由于缺乏准确且通用的 IGBT 模型，针对不同的换流回路和方案，需通过不断地试验测试和分析来进行优化设计，不仅成本较高、耗时，而且效率低。文章结合换流回路中杂散电感对 IGBT 开关特性影响的分析，利用伏安法实现对杂散电感参数的提取；根据 IGBT 数据手册，采用数据导入和曲线拟合的方式，实现 IGBT 参数化建模，并通过所建立的参数化模型进行仿真对比，验证了杂散电感参数提取方法的有效性和所建立参数化模型的准确性。最后，对样机试验和仿真测试进行对比分析，结果显示，二者电压基本吻合，下管电压尖峰实验值与仿真值的误差仅 4 V，具有很好的一致性，这对复杂电路的仿真分析和后续实验数据预测与方法指导具有很大的帮助，在大功率 IGBT 模块的故障复现、失效分析和优化设计等方面具有十分重要的意义。关键词：参数化建模；IGBT；杂散电感；换流分析中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：20965427(2023)04004007doi:10.13889/j.issn.20965427.2023.04.006Parametric Modeling and Analysis of High Power IGBT DeviceLIU Fei,MAO Kaixiang(Zhuzhou CRRC Times Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412001,China)Abstract:In the high-power IGBT module commutation circuit,under the combined impact of stray inductance and di/dt,the IGBT is under significant voltage and current stresses during the processes of switching on and off,which increases system losses and electromagnetic interference,lowers system reliability,and seriously affects the safe and stable operation of the system.Due to the lack of accurate and universal IGBT models,traditional analytic methods require continuous experimental tests and analyses to optimize design for different commutation circuits and schemes.They are not only costly and time-consuming,but also inefficient.Based on the analysis of the influence of stray inductance in commutation circuit on the switching characteristics of IGBT,this paper uses the Voltammetry method to extract the stray inductance.According to the IGBT data manual,parametric modeling of IGBT is achieved through data import and curve fitting methods,and the simulation comparison of the established parametric model verifies the effectiveness of the stray inductance extraction method and the accuracy of the established parametric model.The comparison between the prototype test and simulation test shows that the voltages of the two are basically consistent,and the error between the experimental and simulated values of the voltage spike of the lower device is just 4V,which indicates good consistency.The findings are of great help to the simulation analysis of complex circuits,and data prediction and method guidance in future experiments,and valuable for the fault reproduction,failure analysis and design optimization of high-power IGBT modules.Keywords:parametric modeling;IGBT;stray inductance;commutation analysis电力与传动控制收稿日期：20220920作者简介：刘斐（1985），男，高级工程师，主要从事变流器的开发和设计工作。402023 年第 4 期刘斐 等：大功率 IGBT 器件的参数化建模及分析0引言随着 IGBT 器件在高压、大功率场合的广泛应用，对其电压、电流的等级要求也越来越高1-4。在大功率变流器中，较大的di/dt与换流回路杂散电感的共同作用，使得IGBT开关器件在开通和关断过程中一方面不仅会产生较大的尖峰电压和尖峰电流5-6，还会引起电路振荡；另一方面，增大了开关器件的应力和开关损耗，同时会产生较强的电磁干扰噪声，严重影响器件的正常工作和变流器的安全运行7。在变流器中，换流回路杂散电感主要包括母线电容器杂散电感和母排等效杂散电感等8-9。目前，换流回路杂散电感参数的抽取方法主要有建模仿真、直接测量和间接测量10-12。建模仿真法比较复杂，且对模型精确度的要求高；直接测量法主要用于独立无源分立器件，其采用阻抗仪直接获取参数，但是当参数较小时，对所用仪器和分析软件要求高，价格昂贵；间接测量法13通过分析IGBT开关瞬态过程来求解系统杂散电感，可以得到较好的参数抽取效果。对 IGBT 开关瞬态过程的分析目前主要有实验测量法和仿真分析法。实验测量法14采用单桥臂双脉冲实验，其不仅需要搭建实验平台，还需使用各种测量仪器，测量结果受仪器精度影响较大，方案优化设计和更改周期长、成本较高。采用仿真分析法15可方便地对各器件进行参数设计和电气参数测量，为后续实验提供数据预测和方法指导。然而仿真分析法对 IGBT 器件模型的准确度要求较高，目前仅部分厂家提供了部分型号器件的仿真模型，覆盖度低，且不同厂家提供的模型类型不同，通用性差。因此，建立一种通用、精确的器件模型，这对大功率 IGBT 模块的电气分析和优化设计具有重要意义16-17。在IGBT实际使用和优化过程中，主要通过双脉冲实验来验证设计的可靠性和 IGBT 的安全裕量。本文通过分析 IGBT 的开通和关断过程（即双脉冲测试过程），明确换流回路杂散电感对IGBT开通和关断过程的影响；并从实际应用的角度出发，提出一种参数化建模方法。与其他仿真模型相比，采用所提方法建立的模型的优势在于：1）简单方便，参数提取容易，根据器件的数据手册即可以确定；2）模型精确，采用器件实际参数曲线进行建模，适合复杂电路的仿真分析；3）覆盖范围广，可以对所有功率器件进行建模。最后，通过仿真和实验验证了所建模型的精确性和有效性。1IGBT开通瞬态工况分析换流回路杂散电感参数的提取与开关器件的瞬态过程密切相关，通过分析 IGBT 开通过程各阶段的电压、电流变化趋势，寻找最有利于提取杂散电感的阶段，为后续参数化模型验证提供基础。本文以图1所示开关电路为例对IGBT开通工况进行分析。图中，母线电容器C被视为恒压源Uc，Lc为母线电容杂散电感，Ls为母排等效杂散电感，T1和T2为IGBT，D1和D2分别为T1和T2的反并联二极管，Rload和Lload分别为负载电阻和电感。测试时，通过控制T1输入脉冲，使T1重复开通和关断，T2则一直可靠关断，分析换流回路杂散电感对T1和T2的影响。图1中，udc为直流母线电容器电压瞬时值，Udc为其稳态值；uce1、uce2分别为T1和T2端电压；i1、i2分别为流过T1和D2的电流，负载电流为io。由于电路为阻感负载，在开关过程瞬间，负载电流io被视为恒流源。开通过程的电流、电压波形如图2所示。IGBT 开通瞬间的电流、电压分析如下：1）t0 t1阶段。T1处于关断状态，io通过 D2续流。T1端电压 uce1=Uc，流过 T1的电流 i1=0。T2端电压uce2=0（此时忽略二极管的通态压降），D2电流i2=io。图3图 1 开关测试原理图Fig.1Schematic diagram of IGBT switch test图 2 T1开通瞬态波形示意Fig.2Schematic diagram of switching-on instantaneous waveform412023 年第 4 期示出t0 t1阶段换流过程。2）t1 t2阶段。t1时刻，T1开通，i1从零开始增长；到t2时刻，i1=io。其间，D2仍处于导通状态，没有阻断能力，其电流i2逐渐减小。在二极管内部的杂散电感上会引起感应电压，使i1逐渐上升，在Ls上感应出电压uLs，使得上管电压uce1从Uc下降为Uce1；同时，该电流也会在Lc上引起感应电压uLc，使得udc下降。其等效电路如图4所示。3）t2 t3阶段。t2时刻，D2进入反向恢复阶段，其反向电流i2持续增加，在t3时刻达到最大，这个电流叠加到i1上，形成电流尖峰I1max。此时，i1的变化率较大，且由于T1结电容的存在，导致uce1电压下降变缓。在t2时刻，i1的di/dt达到最大时，Lc的感应电压ULc达到最大，此时 udc最小，为 Udcmin。图 5 示出 t2 t3阶段换流过程。在该阶段，i1和uce1、uce2变化明显，最有利于杂散电感参数的提取。根据电感的伏安关系和基尔霍夫电压规律，计算杂散电感：u(t)=Ldi(t)dt(1)Udcmin-uce1()t2-uce2()t2=Lsdi1(t)dtUc-Udcmin=Lcdi1(t)dtdi1(t)dt=i1()t2-i1()t2-DtDt(2)4）t3 t4阶段。在t3时刻，D2的反向恢复电流i2开始下降，D2的寄生电感继续换流直至t4时刻D2完全关断，i2=0，此时D2呈电容特性，i1=io，uce1=0，uce2=Udc。在该阶段，由于i2的降低，uLs的反向电压与udc一起作用于T2，从而导致uce2上升至最大值Uce2max。图6示出t3 t4阶段换流过程。5）t4时刻以后，T1处于开通状态，负载电流全部通过T1，D2为截止状态。图7示出t4 t5阶段换流过程。综上分析可知，在T1开通过程中，由于T2反并联二极管D2的反向恢复电流和换流回路杂散电感的共同作用，T2端电压uce2出现过冲现象。图 7 t4t5阶段换流过程Fig.7Communicating process in the period from t4 to t5图 6 t3t4阶段换流过程Fig.6Communicating process in the period from t3 to t4图 4 t1t2阶段换流过程Fig.4Communicating process in the period from t1 to t2图 5 t2t3阶段换流过程Fig.5Communicating process in the period from t2 to t3图 3 t0t1阶段换流过程Fig.3Communicating process in the period from t0 to t1422023 年第 4 期刘斐 等：大功率 IGBT 器件的参数化建模及分析2IGBT关断瞬态工况分析由于T1关断过程也存在i1和uce1、uce2的变化过程，为寻找换流回路杂散电感最优提取阶段，同样对其关断过程的电压、电流（图8）进行分析，具体如下：1）t5时刻之前，T1开通，其工作状态如图7所示。2）t5 t6阶段。在t5时刻，T1开始关断，uce1开始上升，D2结电容通过负载放电，uce2从Uc开始降低，其下降速率取决于D2结电容的放电速度。在t6时刻，uce2降为0。在该过程中，i2的增大导致i1略有降低；但是由于i1的di/dt较小，Lc的感应电压较小，故udc变化较小。图9示出t5 t6阶段换流过程。3）t6 t7阶段。t6时刻以后，i1迅速下降，i2迅速上升，D2开始正向恢复。该阶段中，i1的变化明显，适合杂散电感参数的提取。i1在母线电容和母排等效杂散电感中分别感应出电压uLc和uLs。在t7时刻，uce1上叠加了uLs和D2的正向恢复电压Uce2min，导致uce1上升为峰值Uce1max，udc上升为峰值Udcmax。图10示出t6 t7阶段换流过程。同样，根据电感的伏安关系，在此阶段，换流回路杂散电感Lc和Ls的计算公式为Uce1max-Udcmax+Uce2min=Lsdi1(t)dt()Udcmax-Uc=Lcdi1(t)dtdi1(t)dt=i1()t7+Dt-i1()t7Dt(3)4）t7 t8阶段。t7时刻以后，i1下降速度变缓，udc和uce1开始下降，电流i1逐渐降低为拖尾电流I1直至零。在t8时刻，电路达到稳态，uce1等于udc，uce2为T2导通压降，负载电流通过D2续流。其状态如图3所示。综上分析可知，在T1关断过程中，由于T2反并联二极管D2的正向恢复电压和换流回路杂散电感的共同作用，uce1出现尖峰电压（Uce1max）。3IGBT参数化建模及模型仿真分析综上分析可知，利用仿真法对IGBT的开关过程进行分析的关键在于模型的准确性。本文从实际应用出发，利用仿真软件并根据IGBT的数据手册，采用数据导入和曲线拟合的方式，实现了 IGBT 的参数化建模。为了验证杂散电感提取公式的正确性和所建IGBT 参数化模型的准确性，以 FZ1200R33KF2C 型IGBT为例进行双脉冲仿真分析。仿真电路参数如表1所示。仿真电路如图11所示，其中负载为恒流源。图 8 关断瞬态波形示意图Fig.8Instantaneous switching-off waveform图 9 t5t6阶段换流过程Fig.9Communicated process in the period from t5 to t6图 10 t6t7阶段换流过程Fig.10Communicated process in the period from t6 to t7表 1仿真参数Tab.1Simulation parameters参数母线电容器电压Uc/V母线电容器容值C/F母线电容器杂散电感Lc/nH母排等效杂散电感Ls/nH输出电流Io/A数值1 0004 700520400432023 年第 4 期图12和图13分别示出T1开通和关断过程的瞬态仿真波形。图中，m1m10为测量点，纵坐标为电压和电流幅值。可以看出，在T1开通和关断过程中，受换流回路杂散电感的影响，uce2和uce1出现了过冲现象。通过式（1）式（4）以及图12和图13的数据，可以计算得到换流回路的Lc和Ls值（表2）。从表2计算数据可以看出，采用电感的伏安公式可提取换流回路的杂散电感参数，从而验证了杂散电感间接测量法的有效性，其关键在于IGBT di/dt测量的准确性。为了降低对di/dt测量的依赖性，后期可采用积分手段对开通和关断阶段的瞬态波形进行分解，从而降低误差率。4实验验证综上分析和仿真结果可以看出，所建模型可以准确地反映换流回路杂散电感对 IGBT 开通和关断过程的影响，对复杂电路的仿真分析具有一定的帮助作用。为进一步验证所建模型的准确性和有效性，搭建了如图 14 所示的测试电路，并利用通过实验数据所提取的参数建立了相对应的仿真电路。实验采用 FF60017ME4 型 IGBT 模块和 DD540N26K 型整流二极管，原理分析和仿真均采用恒流源，相关参数如表3所示。(a)电路拓扑(b)样机实物图 14测试电路Fig.14Test circuit图 13 关断瞬态仿真波形Fig.13Switching-off instantaneous simulation waveform图 12 开通瞬态仿真波形Fig.12Simulation waveforms of IGBT in the instantaneous case of switching-on图 11 仿真电路Fig.11Simulation circuit表 2杂散电感提取计算结果Tab.2Calculation results of stray inductance extraction参数di1/dt/（As-1）udc/Vuce1/VLc/nHLc相对误差Lc/%Ls/nHLs相对误差Ls/%测量值和计算值开通过程8 85648.4193.55.46821.849关断过程18 41494.9379.55.15220.603表 3样机参数Tab.3Parameters of the prototype参数母线电压Ud c/V滤波电容C/FRC吸收电阻R1/RC吸收电容C1/F负载电阻Ro/直流放电电阻/k数值1 1500.13520.4200442023 年第 4 期刘斐 等：大功率 IGBT 器件的参数化建模及分析图15示出测试电路仿真和实验波形图。此电路同时控制上管T1、T3和T5的开通和关断过程，其通过电阻泄放A、B、C三相的能量。其中，uce1为T1、T3和T5端电压，uce2为T2、T4和T6下管IGBT端电压，udc为中间直流电压。表4示出仿真和实验参数对比。由图15和表4可以看出，仿真和实验波形上下管电压趋势和振荡周期基本吻合，其下管uce2尖峰电压实验值与仿真值的误差仅4 V，证明了所建参数化模型的有效性。5结束语目前，IGBT模型存在覆盖度低和通用性差的问题。为此，本文提出一种参数化建模方法，通过对换流回路杂散电感影响下的 IGBT 换流过程进行详细分析，明确了开关瞬态过程中各阶段的电压、电流变化趋势，并利用伏安公式实现了对杂散电感参数的提取。通过所建立的IGBT参数化模型进行了仿真分析，结果显示仿真值与理论值误差较小，验证了所建模型的准确性。该IGBT参数化模型适用于IGBT和功率二极管器件，有助于复杂电路的仿真分析和后续实验数据预测的方法指导，可缩短产品设计周期并降低研发成本，对实现故障复现、失效分析和优化设计等具有一定的指导意义。参考文献：1李栋,何皓鹏,彭杨彬,等.基于运行工况与器件老化的牵引变流器IGBT寿命评估J.控制与信息技术,2022(4):89-94.LI D,HE H P,PENG Y B,et al.Lifetime evaluation of traction converter IGBT based on operating conditions and component agingJ.Control and Information 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