IGBT模块的开关暂态模型及损耗分析

第30卷第15期中国电机工程学报Vol.30No.15May25,2010402010年5月25日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2010)15-0040-08中图分类号：TM85文献标志码：A学科分类号：470⋅40IGBT模块的开关暂态模型及损耗分析毛鹏，谢少军，许泽刚(南京航空航天大学自动化学院，江苏省南京市210016)SwitchingTransientsModelandLossAnalysisofIGBTModuleMAOPeng,XIEShao-jun,XUZe-gang(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,JiangsuProvince,China)ABSTRACT:Maincharacteristicsofinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)andtheanti-paralleleddiodeduringswitchingtransientareconcluded,andthecorrespondedswitchingmodelisdeducedbasedonwhich,thelossanalysismodelisproposed.Theinfluenceofconductioncurrentonswitchingtransientshasbeentakenintoconsiderationintheproposedswitchingmodelandthewaveformsofvoltageandcurrentduringswitchingtransientsofanygivenswitchingperiodcanberepresented,whichlayafoundationforlossanalysisofpowerconverters.ThenovelswitchingmodelissuitablenotonlyfortheDC/DCconverter,butalsoforAC/DCandDC/ACconverters,inwhichtheconductioncurrentvarybetweentheadjacentswitchingperiod.Simulink/Stateflowisusedtosimulatetheswitchingprocessandanalysethelosses.Theproposedswitchingmodelandlossanalysismodelhavebeenvalidatedbythesimulationandexperimentalresults.KEYWORDS:lossanalysis;model;switchingtransients;insulatedgatebipolartransistor;curvefitting摘要：总结了绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)模块的功率管及反并联二极管开关暂态过程的主要特征，建立了相应的开关模型，并在此基础上得到了损耗分析模型。建立的开关模型充分考虑了导通电流对开关暂态过程的影响，利用该模型可准确再现任意一个开关周期的开关暂态电压、电流波形，为功率变换器的损耗分析奠定了基础。该模型不仅适用于DC/DC变换器，而且适用于相邻开关周期内开关管导通电流不相等的变换器，如AC/DC和DC/AC变换器。采用Simulink/Stateflow对开关暂态过程及损耗模型进行了仿真，仿真与实验结果对比证实了所提出的开关模型和损耗模型的正确性。关键词：损耗分析；模型；开关暂态；绝缘栅双极型晶体管；波形拟合基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070287009)。ProjectSupportedbySpecialScientificandResearchFundsforDoctoralSpecialityofInstitutionofHigherLearning(20070287009).0引言与变换器效率直接相关的损耗问题一直是各国学者研究的热点[1-6]，其中如何准确估算变换器的损耗是研究的重要内容之一[7-13]。若不考虑线路损耗，则功率变换器的损耗主要由3部分构成：1）功率半导体器件开通、关断过程的开关损耗；2）导通状态下的通态损耗；3）关断状态下的截止损耗。随着开关频率的提高，开关损耗在变换器总损耗中所占比例逐渐增大，并成为影响变换器效率的主要因素。然而，开关过程持续时间通常极短，且暂态过程的电压、电流波形不仅与电路及器件本身寄生参数有关，还与导通电流有关[12-13]，增加了开关损耗估算的难度，因此，在较高的开关频率下准确估算开关损耗一直是功率变换器损耗分析的重点，也是难点。目前已有多篇文献对IGBT的开关损耗进行了研究[10-13]，其基本思路都是采用拟合的方法得到开关瞬间电压、电流的时域表达式，在此基础上通过积分运算获得开关损耗。但是现有开关损耗分析研究存在明显的近似处理：1）对开关暂态波形的描述不够完整。文献[11-12]完全忽略了开关暂态电压和电流的拖尾过程。文献[10,13]考虑了拖尾过程，但在拟合过程中，将电流上升时间、续流二极管的反向恢复电流、反向恢复时间等参数都视为恒定值。而在实际的AC/DC或DC/AC变换器中，上述参数都是随开关管导通电流的变化而变化的，因而，文献[10,13]的波形拟合方案仅能拟合出特定导通电流条件下的开关暂态波形，而不能准确再现AC/DC或DC/AC变换器中任意开关周期内的开关暂态电压、电流波形。2）在利用暂态波形时域表达式计算开关损耗时存在近似处理[10]。第15期毛鹏等：IGBT模块的开关暂态模型及损耗分析41针对现有研究存在的不足，本文提出一套IGBT及续流二极管的开关暂态电压、电流波形拟合方案，并利用Simulink/Stateflow工具箱对包括开关暂态在内的开关过程进行仿真和损耗计算；昀后结合三相VIENNA整流器，将利用本文模型得到的损耗估算值与实测值进行对比，证实所提损耗模型及损耗分析方法的有效性。1IGBT及续流二极管的开关暂态过程1.1IGBT开通过程分析1.1.1IGBT的开通鉴于部分开关管制造商的数据表未提供IGBT开关暂态过程中与电压、电流拖尾过程相关的重要数据，为对波形进行准确拟合，有必要从实测波形数据中提取相关参数，作为数据表[14-15]中数据的补充。图1为本文设计的测试电路。结合具体的变换器，开关管S2也可用独立的快恢复二极管替代；Udc根据损耗分析目标变换器中开关管实际承受的电压应力确定；滤波电感足够大，以确保负载电流Ic在一个开关周期内的稳定；R为可调电阻，用以改变Ic。iceuceUdcCugeuDSS2iDSS1+−+−IcLR图1测试电路原理图Fig.1Schematicdiagramoftestcircuit考虑到IGBT的截止损耗、续流二极管的截止损耗及其开通损耗在总损耗中占的比例较小[10]，本文仅考虑IGBT的开通损耗、关断损耗、通态损耗，以及续流二极管的关断损耗和通态损耗。下面分析开关暂态过程电压、电流的主要特征，为开关暂态电压、电流波形的拟合提供依据。因文中变量较多，附录A的表A1列出了建模过程涉及的变量及含义，并对数据来源进行了说明。图2为IGBT开通过程中uce、ice波形示意图。依据对开通过程内在机制的分析，总结IGBT开通过程的主要特征为：1）从uce开始缓慢下降，至ice开始快速上升之间的时间td(on)不随Ic变化；t1N~t3N时刻，ice的上升速度KirN不随Ic变化；反向恢复电流irrm∝cI；trrb/trra=Kba，且Kba不随Ic变化，t4N时刻起的电流拖尾过程持续时间TtailN不随Ic变化；拖尾过程中电流下降量itailN满足itailN=αiNirrm，且αiN不随Ic变化。2）在t1N与t2N间的时间间隔与Ic成正比，在此之间uce的下降量UdelN不随Ic变化，并且由开关管的寄生电感Le及KirN决定；t4N时刻起uce进入拖尾阶段，拖尾起始值UtailN和拖尾持续时间TtailN都不随Ic变化。u,iirrmitailNtrrbtrrdTtailNUtailNUdelNtd(on)iceuceUdcIct0Nt1Nt2Nt3Nt5Nt4Nt图2IGBT开通过程示意图Fig.2TurningonprocessofIGBT开通过程可分为3个阶段进行拟合：1）[t0N,t2N]。该阶段曲线uce的拟合需要关键参数为总电压跌落udelN。根据开通过程电压跌落的形成机制可得delNeced/duLit=(1)IGBT的数据表会提供电流上升时间tr及对应通态电流cI′。tr为ice从0.1cI′上升至0.9cI′所经历的时间，所以udelN可近似为delNced(on)r0.8/()uILtt′=+(2)设[t1N,t2N]期间ice上升速度为KirN，则irNcr0.8/KIt′=(3)令1N0N()cedcdelNdelNekttuUuu−=−+(4)设t=t2N时，有cedcdelNuUuα=−(5)则1Nd(on)cirNln/(/)ktIKα=+(6)式(4)中α为(0,1)范围内的给定常数，用以调整uce下降过程的形态。由式(3)可得ice的时域表达式：CES0N1NceCESirN1N1N2N(,)(),(,)ItttiIKttttt,∈⎧=⎨+−∈⎩(7)2）[t2N,t4N]。该阶段曲线拟合所需的关键参数为任意通态42中国电机工程学报第30卷电流下的irrm。Udc确定时，irrm∝cI，续流二极管数据表会给出确定电流cI′′时的反向恢复电流rrmI′′，据此可将irrm近似为rrmrrmcc/iIII′′′′=(8)该阶段持续时间为(1+Kba)⋅trra，设拖尾电压为UtailN，则2N2N()cetailNdcdelNtailN()ekttuUUuU−=+−−(9)设t−t2N=(1+Kba)trra时有cetailNdcdelNtailN()uUUuUα=+−−则22Nbarraln/[(1)]kKtα=+(10)将式(10)代入式(9)即可得uce的时域表达式，其中rrarrmirN/tiK≈(11)uce可分为[t2N,t3N]的线性过冲阶段和[t3N,t4N]的按指数规律衰减2个阶段：3N3NcirN2N2N3N()cetailNcrrmtailN3N4N(),(,)()e(,)kttIKtttttiiIiittt−+−∈⎧=⎨++−,∈⎩(12)设t−t3N=Kbatrra时cetailNcrrmtailN()iiIiiα=−++−则23Nbarraln/()kKtα=(13)3）[t4N,t5N]。该阶段波形拟合所需的关键参数为拖尾时间TtailN和拖尾电流UtailN。cetailNvtailN4N()uUKtt=+−(14)由TtailN时间内总的衰减量UtailN−UCE(sat)可得vtailNtailNCE(sat)tailN()/KUUT=−(15)因为itailN=αitailN⋅itailN，且比例系数αitailN不随Ic变化，所以可得cectailNitailN4N()iIiKtt=++−(16)根据t4N时刻ice=ic，得itailNtailNtailN/KiT=−(17)上述拟合过程中，电压跌落量udelN及电流上升速度KirN可结合数据表提供的Le、td(on)和tr等数据分析获得，如式(2)、(3)所示；任意Ic时的昀大反向恢复电流irrm可结合二极管数据表中给定的电流及rrmI′′对应cI′′数获得，如式(8)所示；UtailN及TtailN可利用实测波形数据补充获得。1.1.2