基于Matlab的吸收電路對(duì)IGBT電路功耗影響的研究

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（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024）

1 引言

在實(shí)際高工作頻率的IGBT電路中，吸收電路作為關(guān)鍵部分之一，主要為了抑制電路突波現(xiàn)象，吸收對(duì)IGBT模塊產(chǎn)生的過(guò)電壓，提高電路的可靠性。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，討論了許多不同的吸收電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1-3］，但大多數(shù)是從吸收電路的工作原理方面并結(jié)合IGBT開(kāi)關(guān)波形來(lái)分析，也有一些是從多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方面來(lái)進(jìn)行分析［4］，而對(duì)于其吸收電路在實(shí)際電路中對(duì)IGBT電路功耗影響的研究卻很少。特別當(dāng)電路中IGBT開(kāi)關(guān)數(shù)較多時(shí)，例如在采用無(wú)源緩沖法的串聯(lián)IGBT的均壓控制電路中［5］，研究吸收電路對(duì)IGBT電路功耗的影響將顯得尤為重要。針對(duì)這一情況，本文利用Matlab軟件來(lái)對(duì)6種常見(jiàn)的IGBT吸收電路分別工作在不同電流等級(jí)情況下的IGBT電路進(jìn)行參數(shù)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，為設(shè)計(jì)高效的吸收電路提供理論依據(jù)。

2 常見(jiàn)的6種IGBT吸收電路

IGBT吸收電路一般分為：無(wú)源有損吸收電路和無(wú)源無(wú)損吸收電路，其中無(wú)源有損電路分為充放電型和放電阻止型兩種。充放電型有C吸收電路、RC吸收電路、RCD吸收電路。放電阻止型有放電阻止型RCD吸收電路A。無(wú)源無(wú)損電路有CD2吸收電路和LCD2吸收電路。

充放電型吸收電路如圖1所示。

圖1 充放電型吸收電路Fig.1 Charge-dischange absorber circuit

放電阻止型吸收電路和無(wú)源無(wú)損吸收電路如圖2所示。

圖2 RCD吸收電路A和CD2，LCD2吸收電路Fig.2 RCD absorber circuit A and CD2，LCD2absorber circuit

3 IGBT電路的功耗計(jì)算

3.1 IGBT模塊的功耗計(jì)算

IGBT在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，器件產(chǎn)生的功耗包括通態(tài)功耗Psat和開(kāi)關(guān)功耗Psw，其公式為

式中：Esw為開(kāi)關(guān)一次消耗的能量；fs為開(kāi)關(guān)頻率；PT為IGBT的總功耗。

式（1）中的通態(tài)功耗Psat反應(yīng)IGBT在導(dǎo)通下的功耗。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)，通態(tài)功耗是主要功耗。隨著開(kāi)關(guān)頻率的不斷上升，開(kāi)關(guān)功耗Psw逐漸成為主要功耗。

IGBT模塊主要包括IGBT的功耗PT和反并聯(lián)續(xù)流二極管的功耗PD。

IGBT的通態(tài)功耗為

式中：Ic為集電極電流；Uce(sat)為IGBT的飽和壓降；D為占空比；cosφ為功率因數(shù)。

IGBT的開(kāi)關(guān)功耗為

式中：E(on)為在T=125℃時(shí)，集電極電流下從曲線(xiàn)上可查到的開(kāi)通能量；E(off)為表示在T=125℃時(shí)，集電極電流下從曲線(xiàn)上可查到的關(guān)斷能量。

反并聯(lián)續(xù)流二極管的通態(tài)功耗為

式中：UF為二極管的通態(tài)壓降。

反并聯(lián)續(xù)流二極管的關(guān)斷功耗為

式中：E(off)為二極管的關(guān)斷損耗。

反并聯(lián)續(xù)流二極管的總功耗為

模塊總功耗為

3.2 吸收電路的損耗計(jì)算

本文結(jié)合文獻(xiàn)［5］中RC緩沖電路的功耗計(jì)算方法，再根據(jù)各實(shí)際吸收電路的工作原理來(lái)計(jì)算實(shí)際吸收電路的損耗。其一般計(jì)算公式如下：

1）IGBT由導(dǎo)通態(tài)變斷態(tài)時(shí)，寄生電感上的儲(chǔ)能經(jīng)吸收電路消耗在電阻上，其能量損耗為

式中：Ls為寄生電感。

2）IGBT由斷態(tài)變通態(tài)時(shí)，電容經(jīng)電阻放電，其能量損耗為

式中：Cs為吸收電容；Ud為電源電壓。

3）IGBT在工作時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率為fs，則吸收電路最大開(kāi)關(guān)損耗為

3.3 IGBT的結(jié)溫計(jì)算

式中：TA為工作環(huán)境溫度（25 ℃）；Rth(c-f)為模塊的接觸熱阻；RVTth(i-c)為IGBT部分熱阻；RVDth(i-c)為續(xù)流二極管的部分熱阻。本文設(shè)定IGBT結(jié)溫的高溫度為125℃。

4 Matlab對(duì)吸收電路對(duì)IGBT電路的功耗影響的仿真研究

為了研究吸收電路對(duì)IGBT功率損耗的影響程度，得到具體的計(jì)算數(shù)據(jù)，本文利用Matlab/Simulink7.1對(duì)6種基本吸收電路分別在4種電流等級(jí)情況下的IGBT實(shí)際工作電路建立模型并進(jìn)行仿真分析，其中仿真電路中的IGBT模塊為富士電機(jī)公司的7MBR50UB120模塊、7MBR100UB120模塊、2MBI200U4D-120模塊和2MBI300U4N-120-50模塊（耐電壓為1 200 V，集電極電流分別為50A，100A，200A，300A）。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的計(jì)算分析，得出6種吸收電路分別對(duì)IGBT電路功耗影響情況，并為這4種IGBT模塊選擇最優(yōu)吸收電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.1 7MBR50UB120模塊的仿真及計(jì)算分析

為了更加接近于實(shí)際電路中，7MBR50UB120模塊的仿真參數(shù)是根據(jù)富士公司的產(chǎn)品手冊(cè)中的參數(shù)來(lái)設(shè)定。電路的工作頻率為10 kHz，寄生電感Ls為100 nH，吸收電容Cs為2.5e-8 F。RC吸收電路、RCD吸收電路和放電阻止型RCD吸收電路A中的吸收電阻分別為100 Ω，150 Ω，30 Ω。建立的電路仿真模型如圖3所示，其中采用RC吸收電路時(shí)電流Ic的仿真波形如圖4所示。從圖4可以看出，采用RC吸收電路后，雖然抑制了突波，但增大了IGBT的集電極電流Ic。通過(guò)式（2）可以看到IGBT模塊的功耗相應(yīng)的增加，同時(shí)也可以看到IGBT模塊結(jié)溫相應(yīng)的升高，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)功耗和溫升要求不高時(shí)可選用RC吸收電路。6種吸收電路分別對(duì)7MBR50UB120模塊電路功耗影響情況如表1所示。

圖3 電路模型Fig.3 Circuit model

圖4 采用RC吸收電路后IGBT集電極電流Ic的仿真波形Fig.4 Current Icof IGBT waveform with RC absorber circuit

表16 種吸收電路分別對(duì)7MBR50UB120模塊電路功耗的影響情況Tab.1 Influence of each type of absorber circuit for 7MBR-50UB120 module circuit power dissipation

從表1可以看到，與無(wú)吸收電路的IGBT電路相比，RC吸收電路對(duì)IGBT電路功耗影響最大。這主要由于在工作過(guò)程中寄生電感的能量和吸收電容的能量都消耗在吸收電阻上［6-7］，繼而產(chǎn)生了很大的附加損耗，其它原因如前面對(duì)圖4的分析。其次為RCD吸收電路，從文獻(xiàn)［8］對(duì)RCD吸收電路的原理分析，并結(jié)合仿真波形及表1可以看出它與RC吸收電路情況基本一樣，只不過(guò)沒(méi)有寄生電感的能量消耗在吸收電阻上。對(duì)于這兩種吸收電路，導(dǎo)致IGBT模塊的結(jié)溫相對(duì)較高，如果加上附加損耗產(chǎn)生的溫度，則整個(gè)系統(tǒng)溫度會(huì)比結(jié)溫溫度更高，這更增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。通過(guò)前面分析還可以看出，前兩種吸收電路中的吸收電容對(duì)電路附加損耗的影響很大，而附加損耗幾乎占了整個(gè)電路總功耗的一半，所以在滿(mǎn)足電路要求情況下要盡量減小吸收電容值，同時(shí)也要盡量選大的電阻值，以限制電路電流，減少電路的功耗。影響最小的分別為CD2吸收電路、LCD2吸收電路和RCD吸收電路A。前兩種電路附加損耗僅為吸收電路中的二極管損耗，RCD吸收電路A的附加損耗僅為寄生電感所產(chǎn)生的能量，同時(shí)在仿真過(guò)程中也可以看到這3種電路都不增加IGBT的集電極電流。C吸收電路對(duì)IGBT電路功耗影響情況處于中間狀態(tài)，主要是由于IGBT模塊集電極電流升高引起的，可適當(dāng)減小吸收電容，以降低損耗且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于其成本低，工程易實(shí)現(xiàn)，但在仿真過(guò)程中出現(xiàn)輕微振蕩，如果系統(tǒng)要求不高則選用C吸收電路作為7MBR50UB120 IGBT模塊的吸收電路。本文選則C吸收電路。

4.2 7MBR100UB120模塊的仿真及計(jì)算分析

7MBR100UB120 IGBT模塊的仿真參數(shù)選擇同上面的方法一樣。電路工作頻率同上，Ls為90 nH，Cs為30e-9 F。RC吸收電路、RCD吸收電路和放電阻止型RCD吸收電路A中的吸收電阻分別為150 Ω，200 Ω，150 Ω。其中采用放電抑制型RCD吸收電路A電流Ic的仿真波形如圖5所示。6種吸收電路分別對(duì)7MBR50UB120模塊電路功耗影響情況如表2所示。

圖5 采用RCD吸收電路A后IGBT集電極電流Ic的仿真波形Fig.5 Current Icof IGBT waveform with RCD absorber circuit A

表2 6種吸收電路分別對(duì)7MBR100UB120模塊電路功耗的影響情況Tab.2 Influence of each type of absorber circuit for 7 MBR-100UB120 module circuit power dissipation

從表2可以看到，與前面相比，隨著電流等級(jí)的升高，電路功耗和IGBT結(jié)溫升高很大。同樣RC吸收電路對(duì)IGBT電路功耗影響最大，其次為RCD吸收電路。C吸收電路處于中間狀態(tài)，但因?yàn)镃吸收電路引起IGBT集電極電流Ic急劇升高，導(dǎo)致IGBT模塊產(chǎn)生的功耗最大，其結(jié)溫也最高，同時(shí)在電路仿真中產(chǎn)生明顯振蕩。同樣CD2吸收電路、LCD2吸收電路和RCD吸收電路A的影響最小。通過(guò)綜合考慮，本文選用CD2吸收電路或RCD吸收電路A。

4.3 2MBI200U4D-120模塊和2MBI300U4N-120-50模塊的仿真及計(jì)算分析

2MBI200U4D-120模塊和2MBI300U4N-120-50模塊的仿真參數(shù)選擇方法同上。由于電流等級(jí)較高，為防止發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致結(jié)溫超過(guò)模塊規(guī)定值，這兩種模塊的 RVDth（j-c），RVIth（j-c），Rth（c-f）比前面模塊低很多。電路工作頻率同上，2MBI200U4D-120模塊和2MBI300U4N-120-50模塊的電路參數(shù)分別為L(zhǎng)s為68 nH/67 nH，Cs為30e-9 F/50e-9 F，RC吸收電路、RCD吸收電路和放電阻止型RCD吸收電路A中的吸收電阻分別為200 Ω/200 Ω，200 Ω/250 Ω，100Ω/250 Ω。其中2MBI200U4D-120模塊采用CD2吸收電路時(shí)電流Ic的仿真波形和2MBI300U4N-120-50模塊采用LCD2的波形分別如圖6和圖7所示。6種吸收電路分別對(duì)這兩種模塊電路功耗影響情況如表3和表4所示。

圖6 采用CD2吸收電路A后IGBT集電極電流Ic的仿真波形Fig.6 Current Icof IGBT waveform with CD2absorber circuit A

圖7 采用LCD2吸收電路A后IGBT集電極電流Ic的仿真波形Fig.7 Current Icof IGBT waveform with LCD2absorber circuit A

表3 6種吸收電路分別對(duì)2MBI200U4D-120模塊電路功耗的影響情況Tab.3 Influence of each type of absorber circuit for 2MBI-200U4D-120 module circuit power dissipation

從表3和表4可以看到由于IGBT模塊熱阻比前面兩模塊的熱阻小很多，雖然隨著電流等級(jí)的升高，電路的總功耗和附加損耗明顯上升，但結(jié)溫卻不高，反而比前面模塊的結(jié)溫低很多，這也證明了模塊熱阻對(duì)結(jié)溫的影響很大。對(duì)于C吸收電路，由于隨著電流等級(jí)的升高，吸收電容在電路中產(chǎn)生的振蕩越來(lái)越嚴(yán)重，因此只對(duì)前一種進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)表3和表4可以看到，RC吸收電路和RCD吸收電路產(chǎn)生的附加損耗很大，在實(shí)際電路中要注意其發(fā)熱影響吸收電路的正常工作，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。其余的分析同上?？紤]系統(tǒng)的可靠性，本次這兩種模塊選擇RCD吸收電路A或LCD2吸收電路以增加系統(tǒng)的可靠性。

表4 6種吸收電路分別對(duì)2MBI300U4N-120-50模塊電路功耗的影響情況Tab.4 Influence of each type of absorber circuit for 2MBI-300U4N-120-50 module circuit power dissipation

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)6種吸收電路在不同電流等級(jí)情況下的IGBT電路進(jìn)行仿真計(jì)算和比較分析，得出這6種吸收電路分別對(duì)IGBT電路的功耗影響情況，其中影響較大的為RC吸收電路和RCD吸收電路，產(chǎn)生的功耗大約為無(wú)吸收電路時(shí)的1.7倍，其次為C吸收電路，產(chǎn)生的功耗大約為無(wú)吸收電路時(shí)的1.2倍，放電抑制型RCD吸收電路A，CD2吸收電路和LCD2吸收電路影響很小，電路產(chǎn)生的功耗幾乎和無(wú)吸收電路時(shí)相等。通過(guò)以上的研究分析，能夠在設(shè)計(jì)吸收電路時(shí)，盡量減少不必要的損耗，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和整個(gè)系統(tǒng)的效率，為IGBT吸收電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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