基于Simplorer /Simulink聯(lián)合仿真計(jì)算IGBT損耗的方法

朱 元，張幸福，肖明康，石其輝，陸 科

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201800；2. 同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201800)

0 引 言

電動(dòng)汽車憑借其優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保性能受到越來越多人的青睞，IGBT作為電動(dòng)汽車不可缺少的重要部件，其可靠性也成為人們研究的重點(diǎn)。由于IGBT經(jīng)常工作在高溫、高功率的環(huán)境下，工作時(shí)其內(nèi)部結(jié)溫會(huì)不斷升高，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終將在封裝的薄弱環(huán)節(jié)處引起失效[1]。研究表明，約55%的功率模塊失效是由于IGBT結(jié)溫引起的[2]。而IGBT的損耗計(jì)算是估計(jì)結(jié)溫的前提，因此，有必要準(zhǔn)確計(jì)算IGBT的損耗，為選擇合適的功率模塊，設(shè)計(jì)合理的散熱裝置，以及對IGBT可靠性分析提供數(shù)據(jù)支持。

目前，國內(nèi)外有關(guān)IGBT損耗研究主要通過搭建IGBT物理模型或者通過公式推導(dǎo)進(jìn)行損耗計(jì)算[3-6]。物理模型方法主要采用Pspice[7]、Saber[8]等仿真軟件，使用電源、電容等一些相對簡單的元件，搭建器件物理模型來仿真IGBT動(dòng)態(tài)特性，得到IGBT模塊瞬間電流、電壓波形進(jìn)而計(jì)算損耗。然而，這些仿真軟件難以搭建電路控制模塊，且沒有考慮負(fù)載電機(jī)模型對損耗的影響。采用Simulink搭建損耗公式可以比較容易地實(shí)現(xiàn)損耗計(jì)算，且Simulink模型能夠?qū)崿F(xiàn)電路控制模型的搭建，但是模型沒有考慮IGBT開關(guān)延遲等情況，這就導(dǎo)致了仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，不能完全反映電機(jī)運(yùn)行的真實(shí)情況，得到的逆變器IGBT損耗也與實(shí)際結(jié)果相差較大[9-10]。也有通過聯(lián)合仿真的方式，對電機(jī)進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[11]基于Simplorer/Maxwell的聯(lián)合仿真對高速感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制，計(jì)算和分析了電機(jī)電磁損耗，然而沒有考慮逆變器IGBT模塊的損耗；文獻(xiàn)[12]通過Simplorer/MATLAB聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的仿真建模，研究重點(diǎn)主要在與逆變器并網(wǎng)電流的控制策略上，同樣沒有考慮逆變器IGBT模塊的損耗問題。

本文提出了基于Simplorer/Simulink的聯(lián)合仿真計(jì)算IGBT損耗的方法。首先分析推導(dǎo)了IGBT損耗計(jì)算公式，然后在Simulink中搭建電機(jī)控制算法與損耗模型，在Simplorer中搭建IGBT模型與電機(jī)有限元模型，通過聯(lián)合仿真的方式發(fā)揮各自軟件的優(yōu)點(diǎn)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)相較于公式計(jì)算結(jié)果，聯(lián)合仿真結(jié)果獲取的損耗更加接近逆變器IGBT的實(shí)際工作情況。

1 IGBT損耗計(jì)算

IGBT模塊的開關(guān)過程如圖1所示。從圖1中可以看出，IGBT的損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗兩部分，本文采用近似計(jì)算的方法，針對一個(gè)電流周期，分別對導(dǎo)通與開關(guān)損耗進(jìn)行計(jì)算[13]。

圖1 IGBT模塊的開關(guān)模型

1.1 IGBT導(dǎo)通損耗

IGBT的導(dǎo)通損耗是指IGBT完全導(dǎo)通時(shí)所產(chǎn)生的損耗，主要由IGBT的導(dǎo)通電流和導(dǎo)通壓降決定。假設(shè)電流周期為Tc，開關(guān)周期為Tsw，一個(gè)電流周期內(nèi)有N個(gè)開關(guān)周期，則導(dǎo)通損耗可計(jì)算如下:

(1)

式中：Vceo為IGBT導(dǎo)通時(shí)的壓降；Rce為IGBT的導(dǎo)通電阻。

考慮到電流周期Tc遠(yuǎn)大于開關(guān)周期Tsw，故可得：

(2)

式中：D(t)為IGBT導(dǎo)通的占空比。

基于文獻(xiàn)[14]對損耗的研究，可以對式(2)進(jìn)行簡化計(jì)算，得到IGBT導(dǎo)通損耗公式：

(3)

式中：I為相電流最大值；m為調(diào)制比；φ為功率因數(shù)角。

類似地，可計(jì)算續(xù)流二極管FWD導(dǎo)通損耗公式，不同的是FWD導(dǎo)通的占空比為1-D(t)。

(4)

式中：Rf為FWD導(dǎo)通電阻；Vf為FWD的導(dǎo)通壓降。

1.2 IGBT開關(guān)損耗

IGBT的開關(guān)損耗是指在開關(guān)過程中產(chǎn)生的損耗，包括開通損耗和關(guān)斷損耗兩部分[15]。其表達(dá)式如下：

(5)

式中：fsw為逆變器開關(guān)頻率。

開關(guān)損耗與輸出電流大致成正比，可以根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊中的額定電流I下的每次開通和關(guān)斷能量損耗，對瞬時(shí)電流i下的單個(gè)開關(guān)能量作線性近似[16]。在實(shí)際應(yīng)用中，直流母線電壓也是影響器件開關(guān)損耗的主要因素，因此也要在額定電壓的一定范圍內(nèi)對損耗作線性調(diào)整。考慮到這兩個(gè)因素，可以得到改進(jìn)后的開關(guān)損耗計(jì)算公式：

(6)

式中：fsw為逆變器開關(guān)頻率；Eswref為數(shù)據(jù)手冊中IGBT的開關(guān)損耗；Vdc,Imax分別是仿真過程中的母線電壓和相電流最大值；Vdcref,Imaxref分別為數(shù)據(jù)手冊中母線電壓與相電流最大值的參考值。FWD開關(guān)損耗也可以根據(jù)同樣的原理得出：

(7)

1.3 IGBT總損耗

以上分析的是單個(gè)IGBT及其反并聯(lián)續(xù)流二極管的功率損耗，由于整個(gè)逆變器是由6個(gè)IGBT與FWD組成，其總損耗可以近似認(rèn)為是單個(gè)IGBT損耗及FWD的6倍，因此總損耗p如下：

ptotal=6(pIGBT_cond+pIGBT_sw+pFWD_cond+pFWD_sw)

(8)

2 聯(lián)合仿真建模

為模擬逆變器帶有電機(jī)負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況，彌補(bǔ)Simulink仿真時(shí)忽略電機(jī)自身的非線性特點(diǎn)和IGBT非理想開關(guān)的特性，以及ANSYS Maxwell 軟件進(jìn)行電機(jī)的電磁仿真過程中無法加入電機(jī)控制算法的問題，本文提出在Simulink中搭建電機(jī)控制算法與損耗模型，在Simplorer中搭建IGBT模型與電機(jī)有限元模型，通過聯(lián)合仿真的方式對IGBT損耗進(jìn)行研究。該方法的仿真效果更加接近逆變器實(shí)際工作情況，獲取IGBT損耗也更加準(zhǔn)確。

2.1 Simplorer中模型搭建

Simplorer主要進(jìn)行電機(jī)場路耦合，即通過在Simplorer中建立逆變器模型，然后在Ansoft Maxwell 中設(shè)置Simplorer接口功能,將電機(jī)的電磁模型導(dǎo)入到Simplorer中，最后將仿真電流等參數(shù)反饋至Simulink模型。

Simplorer軟件中半導(dǎo)體器件選用高級動(dòng)態(tài)模型來建模。首先需要根據(jù) IGBT手冊查找相應(yīng)的參數(shù)，通過IGBT建模工具提取參數(shù)，如轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，然后進(jìn)行隔熱設(shè)置，保存后生成測試電路，執(zhí)行測試電路可得到IGBT的開通關(guān)斷曲線。圖2為搭建完成的IGBT開關(guān)過程示意圖。測試波形中存在導(dǎo)通和關(guān)斷延遲，證明設(shè)計(jì)的IGBT符合使用要求，能夠反映IGBT實(shí)際的工作狀況。

圖2 Simplorer中IGBT模型開關(guān)波形圖

完成逆變器中IGBT模塊建模后，便可以導(dǎo)入電機(jī)的有限元模型。電機(jī)的端部電感和電阻是不能忽略的，因此要在逆變器與電機(jī)之間添加端部電感和電阻。在電機(jī)輸出一側(cè)，還需要添加測量模塊來獲取電機(jī)參數(shù)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度以及轉(zhuǎn)矩等變量，電機(jī)控制算法根據(jù)這些參數(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制。設(shè)置完成后，可以通過Simplorer直接獲取IGBT兩端電壓與電流的變化，進(jìn)而得到損耗。

2.2 Simulink中模型搭建

將電機(jī)控制模型、逆變器IGBT模型、電機(jī)電磁瞬態(tài)場模型通過AnsoftSimplorer軟件整合以后，便可以通過Simulink建立三相電機(jī)控制的聯(lián)合仿真模型。Simulink中的模型主要包括電機(jī)控制模塊和損耗計(jì)算模塊兩部分組成。

電機(jī)控制模塊主要通過FOC控制算法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。FOC算法實(shí)現(xiàn)過程為采集到三相電流，經(jīng)過Clarke變換后得到兩軸正交電流量Iα,Iβ，然后通過Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流Id,Iq，在實(shí)際控制中，一般采用Id=0的控制策略。將Iq與Id反饋與命令的差值分別送進(jìn)PI調(diào)節(jié)器，得到對應(yīng)的輸出Vq和Vd；通過傳感器得到電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，進(jìn)行Anti-Park變換，得到Vα,Vβ，然后根據(jù)SVPWM算法獲取逆變器開關(guān)的工作狀態(tài)，并控制逆變器工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[17-18]。

損耗計(jì)算模塊在前面已經(jīng)詳細(xì)推導(dǎo)過，將電機(jī)控制算法中獲取的Id與Iq、Vd與Vq、轉(zhuǎn)角θ、逆變器母線電壓VL等變量輸入損耗計(jì)算模塊，即可完成Simulink中公式計(jì)算的模型搭建，其模塊框圖如圖3所示。

圖3 Simulink中電機(jī)控制算法與損耗計(jì)算模塊

2.3 聯(lián)合仿真模型

在完成Simplorer與Simulink中的模型搭建以后便可以對兩個(gè)軟件進(jìn)行接口的配置，具體過程如下[19]：

1) 在Simplorer中添加Simulink連接部件，并對Simulink部件的輸入輸出端口根據(jù)需要進(jìn)行添加，按照端口與Simplorer中端口進(jìn)行連接，完成Simplorer部分的配置。

2) 對Simulink進(jìn)行配置，添加S-Function模塊，輸入的函數(shù)對應(yīng)Simplorer中的文件名，然后將對應(yīng)端口連接，連接過程中要保證各個(gè)端口數(shù)據(jù)類型一致。之后設(shè)置求解器參數(shù)，參數(shù)設(shè)置要與Simplorer中的設(shè)置保持一致。

3) 初始化電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型、電機(jī)電磁瞬態(tài)場仿真模型和逆變器仿真模型的仿真時(shí)間和步長；判斷模型之間是否建立連接；若能夠建立通訊，則可以進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。

Simplorer聯(lián)合仿真平臺(tái)得到MATLAB Simulink輸入的控制IGBT模塊開關(guān)的信號(hào)，并經(jīng)過IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的三相電流輸入到Maxwell電機(jī)模型中，軟件記錄電機(jī)模型輸出的三相電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等信息，最后得到基于聯(lián)合仿真獲取的IGBT損耗和基于公式推導(dǎo)獲取的IGBT損耗。圖4為聯(lián)合仿真的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 聯(lián)合仿真總體結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)中，IGBT模型型號(hào)為英飛凌FS820模塊，電機(jī)模型參數(shù)如表1所示。

表1 聯(lián)合仿真負(fù)載電機(jī)參數(shù)表

在配置好仿真步長后，點(diǎn)擊Simulink中的開始按鈕，即可進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真給定的母線電壓為350V，冷卻液溫度為25 ℃，流量為10L/min，開關(guān)頻率10kHz，控制電流Id=0，Iq=300A，轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000r/min。

對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)三相電流呈正弦形，且三相電流波形峰值與給定的Iq相等，如圖5所示，說明電機(jī)能夠正常運(yùn)行。IGBT導(dǎo)通電流也呈正弦形，且當(dāng)IGBT兩端電壓為母線電壓時(shí)，通過IGBT的電流為0，此時(shí)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)；而當(dāng)兩端電壓近似為0時(shí)，導(dǎo)通電流達(dá)到最大值，IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖6所示，說明IGBT模塊開關(guān)正常，模型搭建準(zhǔn)確。

圖5 聯(lián)合仿真三相電流波形圖

圖6 聯(lián)合仿真IGBT的電流與電壓波形圖

圖7為采用功率分析儀進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)、聯(lián)合仿真計(jì)算與公式計(jì)算得到的逆變器損耗波形對比圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同條件下，聯(lián)合仿真結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 聯(lián)合仿真IGBT損耗對比

4 結(jié) 語

本文通過對IGBT損耗進(jìn)行分析，并通過Simplorer與Simulink聯(lián)合仿真的方式，實(shí)現(xiàn)了對帶有電機(jī)負(fù)載的IGBT模塊的控制以及損耗計(jì)算，與傳統(tǒng)的損耗計(jì)算方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 聯(lián)合仿真能夠?qū)⒛孀兤髦蠭GBT模塊開通和關(guān)斷的延遲過程體現(xiàn)出來，更加符合逆變器的實(shí)際工作過程；

2) 通過電機(jī)控制算法和電機(jī)本體的Maxwell模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，使得電機(jī)的工作狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)更為接近，相比較于傳統(tǒng)的Simulink仿真模型，三相電流的仿真值更加準(zhǔn)確，計(jì)算得到的損耗更可靠；

3) 仿真結(jié)果取得了良好的測試效果，不再需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)過程，提高了測試效率，有效降低了逆變器選型的時(shí)間成本；此外，計(jì)算得到的損耗也為IGBT結(jié)溫估計(jì)計(jì)算提供了數(shù)據(jù)，可對逆變器工作時(shí)的可靠性進(jìn)行評估。