牽引變流器中6 500 V 場(chǎng)終止IGBT 的物理場(chǎng)仿真研究

李巖磊，李 陽(yáng)，劉 直，代 鵬，陳明遠(yuǎn)，高吉磊

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2.北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

保證鐵路運(yùn)行的安全性是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)過(guò)程中的重要工作內(nèi)容[1]。牽引變流器作為高速動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，直接決定了車組的使用性能、安全運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)能力[2]。而以絕緣柵雙極性晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）為典型代表的功率半導(dǎo)體是變流器中最脆弱的電子器件，失效率較高[3]，且38%的變流器故障都是由功率器件故障引起的[4]。

IGBT 是一種綜合了功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET（metal-oxide semiconductor field effect transistor）和雙極結(jié)型晶體管BJT（bipolar junction transistor）結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件，并同時(shí)吸收了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如家電領(lǐng)域洗衣機(jī)、空調(diào)等系統(tǒng)的調(diào)速，工業(yè)領(lǐng)域各類輸變電裝置、牽引電動(dòng)機(jī)的控制等[5]。

牽引系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行著大量的IGBT 功率器件，然而由于其功率大、運(yùn)行高頻化的特點(diǎn)，IGBT 處于快速通斷的工作狀態(tài)，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的電流變化率和電壓變化率，特別是由于電壓、電流反向恢復(fù)特性的存在，其開關(guān)特性等動(dòng)態(tài)參數(shù)會(huì)極大程度地影響器件穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性[6]。因此，對(duì)牽引變流器系統(tǒng)中IGBT 封裝模塊進(jìn)行精確建模仿真以研究其動(dòng)態(tài)特性一直是研究熱點(diǎn)，對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、開展損耗計(jì)算、電磁兼容性EMC（electromagnetic compatibility）計(jì)算、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、提高安全性能具有極為重要的意義。

目前已有大量針對(duì)IGBT 進(jìn)行建模的仿真研究，按照其簡(jiǎn)繁程度大致可分為3 類[7]方法：第1 類僅描述IGBT 的開通、關(guān)斷等基本外部特性，包括理想開關(guān)模型[8]和取樣電阻模型[9]等；第2 類從IGBT外部特性出發(fā)，除了描述開斷特性外，還描述期間的開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等動(dòng)態(tài)行為特征，常設(shè)計(jì)一個(gè)具有該特性的集總參數(shù)電路作為模擬器件外部特性的模型[7]；第3 類得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于器件本身建立物理場(chǎng)模型，推導(dǎo)出相應(yīng)的非線性方程組進(jìn)行數(shù)值求解[10]。然而，第1 類方法無(wú)法準(zhǔn)確模擬器件的動(dòng)態(tài)特性；第2 類方法未考慮IGBT 封裝模塊中存在的大量結(jié)構(gòu)阻抗，例如焊線與鍵合引線之間存在的寄生電感、焊線與底層銅板之間存在的寄生電容，其寄生參數(shù)會(huì)影響IGBT 動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不可估計(jì)的影響；第3類方法目前基本可解決前2 個(gè)問(wèn)題，多適用于柵極與發(fā)射極短路CE 結(jié)最高耐壓VCES不高于1 200 V的中、低壓IGBT，對(duì)于牽引變流器中VCES高達(dá)6 500 V 的IGBT 并未進(jìn)行針對(duì)性研究。

為解決上述問(wèn)題，本文以某款I(lǐng)GBT 封裝模塊為主要研究對(duì)象，提出牽引變流器中6 500 V 場(chǎng)終止型IGBT 物理場(chǎng)的精確建模仿真研究方法。

1 IGBT 工作原理和特性

1.1 工作原理

IGBT 是一種功率晶體管，以場(chǎng)終止型IGBT 為例，其結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。其結(jié)構(gòu)與MOS 管非常接近，只是在背面增加了N+和P+層，從而在保留MOS 管優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增加了載流能力和抗壓能力，這也是其能在牽引變流器這樣高功率場(chǎng)景下獲得應(yīng)用的重要原因。

圖1 場(chǎng)終止型IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5]Fig.1 Internal structure of field stop IGBT[5]

IGBT 的開通與關(guān)斷由柵極電壓來(lái)控制，其開啟過(guò)程與MOS 器件相同，非常迅速。當(dāng)施加正向柵極電壓時(shí)溝道形成，給PNP 晶體管提供基極電流，IGBT 導(dǎo)通。反之，施加反向柵極電壓時(shí)，溝道消除，流過(guò)反向基極電流，MOS 管夾斷，即PNP 管基極開路，IGBT 關(guān)斷。

1.2 靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性包括輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。

IGBT 的輸出特性是以柵極電壓VGE為參變量時(shí)，集電極電流IC和集-射電壓VCE之間的關(guān)系曲線，可分為飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)4 個(gè)部分。截止區(qū)即正向阻斷區(qū)，柵極電壓未達(dá)到IGBT 的閾值電壓VGE（th）。在放大區(qū)，輸出電流受柵極電壓的控制，兩者呈線性關(guān)系。在飽和區(qū)，因集-射電壓VCE太小，VGE失去控制作用。在擊穿區(qū)，因VCE太大，超過(guò)擊穿電壓而無(wú)法正常工作。

轉(zhuǎn)移特性是指集電極電流IC與柵極控制電壓VGE之間的關(guān)系曲線。IGBT 與MOSFET 具有相同的轉(zhuǎn)移特性，當(dāng)柵極電壓VGE小于閾值電壓VGE（th）時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后，IC與VGE在大部分集電極電流范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，最高柵極電壓受最大集電極電流限制。

1.3 動(dòng)態(tài)特性

IGBT 在開通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 運(yùn)行的，只有在集-射電壓VCE下降過(guò)程的后期，PNP 晶體管才由放大區(qū)轉(zhuǎn)到飽和區(qū)。開通時(shí)間由開通延遲時(shí)間和上升時(shí)間2 部分組成，一般小于1 μs。在IGBT 關(guān)斷過(guò)程中，由于MOSFET 關(guān)斷后PNP 晶體管中儲(chǔ)存的電荷難以迅速消除，造成集電極電流有較長(zhǎng)時(shí)間的拖尾。

1.4 寄生參數(shù)

電阻、電容和電感是電路中3 個(gè)基本的無(wú)源器件，電路中主要的寄生參數(shù)有寄生電阻、寄生電容和寄生電感，其或由元器件、導(dǎo)線、電路板等引入，或由各導(dǎo)電器件之間耦合作用產(chǎn)生，大小與其物理結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)相關(guān)。在低頻段，這些電氣元件寄生參數(shù)影響不大，但在高頻段，電氣元件的實(shí)質(zhì)性質(zhì)不再單一，使得寄生參數(shù)的表現(xiàn)更加突出[11]。

對(duì)于電阻類器件，正是由于寄生參數(shù)的存在，才使得電阻類器件性質(zhì)隨頻率呈現(xiàn)很大的差異性，在高頻下電阻類器件的寄生參數(shù)主要表現(xiàn)為寄生電容和等效漏感；對(duì)于電容類器件，在高頻下的寄生參數(shù)問(wèn)題更加明顯和復(fù)雜，寄生參數(shù)包括絕緣層的泄露電阻、等效串聯(lián)電阻和寄生電感，且不同工藝材料有不同的表現(xiàn)重點(diǎn)；對(duì)于電感類器件，由于電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，因此其寄生參數(shù)有自身?yè)p耗電阻和寄生電容。上述3 類元器件的阻抗-頻率特性如圖2 所示。

圖2 3 類電氣元件的阻抗-頻率特性Fig.2 Impedance-frequency characteristics of three kinds of electrical component

由于IGBT 常處于快速通斷的工作狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生極高的電壓變化率和電流變化率，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部電流和電壓含有頻率非常高的成分。在這種高頻環(huán)境中，分析牽引系統(tǒng)需要充分考慮電氣元件寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。

2 IGBT 模塊物理場(chǎng)建模方法

2.1 IGBT 封裝模塊

本文以某款I(lǐng)GBT 封裝模塊為主要研究對(duì)象，該模塊的封裝電路示意如圖3 所示，該模塊由隔離基板和銅或鋁基板組成，其中包含3 個(gè)IGBT 芯片和3 個(gè)續(xù)流二極管FWD（free-wheel diode）芯片。

圖3 IGBT 封裝電路示意Fig.3 Schematic of IGBT packaging circuit

該款模塊采用第三代溝槽柵/場(chǎng)終止IGBT 和第三代發(fā)射極控制二極管，以低飽和壓降、強(qiáng)絕緣封裝、大存儲(chǔ)溫度范圍、高溫度循環(huán)能力等特性，在中高壓牽引變流器中獲得了廣泛的應(yīng)用。

2.2 建模分析理論方法

2.2.1 IGBT 封裝精確電路建模方法

針對(duì)牽引變流器用大功率IGBT 器件具有高電壓、大電流的特點(diǎn)，在系統(tǒng)評(píng)估過(guò)程中，其安全性、熱特性和EMC 等性能計(jì)算對(duì)模型的精確度提出了更高的要求。為建立更加精確的IGBT 封裝電路模型，須充分考慮IGBT 的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性和封裝器件寄生參數(shù)的影響。本文結(jié)合提取準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)寄生參數(shù)的矩量法和IGBT 內(nèi)核芯片等效電路，提出適用于牽引系統(tǒng)中大功率IGBT 器件的精確電路建模方法。具體方法步驟如下。

步驟1IGBT 封裝結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)提取。根據(jù)IGBT 封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立電磁場(chǎng)求解有限元模型，并采用矩量法原理求解IGBT 封裝的寄生電感、寄生電阻和寄生電容。

步驟2IGBT 動(dòng)態(tài)建模及驗(yàn)證。依據(jù)IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的參數(shù)，建立IGBT 內(nèi)核的動(dòng)態(tài)模型和其動(dòng)態(tài)測(cè)試電路，并基于此開展IGBT 動(dòng)態(tài)模型的測(cè)試與驗(yàn)證分析。

步驟3牽引變流器大功率IGBT 精確電路模型的建立。在IGBT 理想電路模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元封裝模型和IGBT 動(dòng)態(tài)模型代替理想元器件，建立IGBT 封裝精確電路模型，結(jié)合IGBT 寄生參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性開展更為準(zhǔn)確的系統(tǒng)性能分析。

2.2.2 IGBT 封裝寄生參數(shù)提取方法

IGBT 封裝寄生參數(shù)的計(jì)算采用準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，通過(guò)電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的求解計(jì)算電容C 和電導(dǎo)G，通過(guò)磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的求解計(jì)算電感L 和電阻R。

電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中，庫(kù)侖電場(chǎng)遠(yuǎn)大于渦旋電場(chǎng)，忽略二次源?B/?t 的作用，則根據(jù)麥克斯韋方程組可將電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)方程組描述為

式中：H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度；E 為電場(chǎng)強(qiáng)度；B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D 為電通密度；J 為傳導(dǎo)電流密度矢量；ρ 為電荷體密度。

磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中，傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流，此時(shí)忽略位移電流?D/?t 的作用，則描述磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的方程組為

在近些年的實(shí)際工程問(wèn)題應(yīng)用中，矩量法MOM（method of moments）[12]是一種廣泛應(yīng)用的寄生參數(shù)提取方法。矩量法是將待求積分方程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)矩陣方程問(wèn)題，并求解該矩陣方程。矩量法屬于數(shù)值計(jì)算方法，通常來(lái)講數(shù)值方法都避不開離散化、構(gòu)建線性化方程和線性系統(tǒng)求解3 個(gè)步驟。矩量法在寄生參數(shù)提取的應(yīng)用上亦可按上述3個(gè)步驟展開，在數(shù)值方法中不能含有連續(xù)參量，首先將仿真系統(tǒng)模型進(jìn)行離散化處理，根據(jù)參數(shù)提取需求定義合適的基函數(shù)，然后結(jié)合麥克斯韋方程組建立積分方程，通過(guò)權(quán)函數(shù)檢驗(yàn)產(chǎn)生相應(yīng)的矩陣方程，最后求解該矩陣方程獲得所需的寄生參數(shù)。矩量法在矩陣方程轉(zhuǎn)化求解的基本思想如下。

設(shè)定給定邊值問(wèn)題的場(chǎng)方程（微分方程或積分方程）統(tǒng)一表達(dá)式為算子方程，即

式中：L 為線性算子；g 為激勵(lì)源項(xiàng)；u 為待求函數(shù)。

構(gòu)造一個(gè)由有限個(gè)線性無(wú)關(guān)函數(shù)Ni（i=1，2，…，n）組成的基函數(shù)集合，并令其滿足邊值條件，則展開待求解函數(shù)的近似解為

式（5）為由n 個(gè)方程構(gòu)成的方程組，其等價(jià)于人為地強(qiáng)制近似解u～，使其因不能精確滿足方程而導(dǎo)致的誤差在平均含義上等于0。展開式（5），所構(gòu)成的各種求解積分或微分方程近似解的方法即為矩量法。

2.2.3 IGBT 動(dòng)態(tài)模型建模方法

IGBT 動(dòng)態(tài)模型同時(shí)考慮器件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)比于理想器件模型和只考慮靜態(tài)特性的傳統(tǒng)模型，動(dòng)態(tài)模型仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，這對(duì)后續(xù)整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的電磁干擾及其他性能計(jì)算具有重要意義。

利用IGBT 器件廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)可構(gòu)建IGBT內(nèi)核動(dòng)態(tài)模型的等效電路，如圖4 所示。

圖4 IGBT 動(dòng)態(tài)模型等效電路Fig.4 Equivalent circuit of IGBT dynamic model

IGBT 動(dòng)態(tài)模型的等效電路由以下3 部分組成：IGBT 電氣部分模型、拖尾振蕩衰減電路和反向續(xù)流二極管電氣模型。等效電路模型中的電阻、電感及電容可通過(guò)IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得。

在IGBT 的等效電氣部分模型中，MOSFET 在不同狀態(tài)下的表征電流ID不同。當(dāng)器件處于線性區(qū)飽和區(qū)時(shí)，分別有

式中：Isat為MOSFET 漏極電流；VDS為MOSFET 處于飽和區(qū)的漏源電壓；Vsat為MOSFET 的飽和壓降，Vsat=τ（VGS-VP）γ；τ 為MOSFET 的飽和因子，與溫度有關(guān)；γ 為MOSFET 的飽合度指數(shù)，與溫度有關(guān)；VGS為MOSFET 閾值電壓，即柵極與發(fā)射極電壓；VP為MOSFET 額定溫度的夾斷電壓，即發(fā)射集與集電極電壓；λKML為MOSFET 的溝道長(zhǎng)度調(diào)制因數(shù)。

IGBT 集電極電流的變化能夠表征器件的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)也是電磁干擾、功耗等性能求解的關(guān)鍵[13]。則集電極電流IC可根據(jù)BJT 的增益系數(shù)δ 和MOSFET 的基準(zhǔn)電流IB得到，即

通常情況IB=ID。

對(duì)于IGBT 動(dòng)態(tài)模型的狀態(tài)區(qū)域需要根據(jù)結(jié)間電壓區(qū)分，當(dāng)電壓的擴(kuò)散部分和結(jié)間電壓相等時(shí)，器件存在動(dòng)態(tài)過(guò)程，即導(dǎo)通、關(guān)斷電流和電壓存在動(dòng)態(tài)過(guò)程[14]，則有

式中：φ 為電壓的擴(kuò)散因子；VDIFF為擴(kuò)散電壓；VJNCT為結(jié)間電壓。電壓的擴(kuò)散部分與靜態(tài)電壓疊加即為其動(dòng)態(tài)電壓。

模型中電容Cge使用CIN1和CIN0建模，電容Cdg使用CR0和CR1建模，這種方法能夠靈活地模擬器件的導(dǎo)通和關(guān)斷行為，但是切換電容時(shí)要避免產(chǎn)生感應(yīng)電荷。

在構(gòu)建IGBT 動(dòng)態(tài)模型的過(guò)程中，還考慮了其分層熱網(wǎng)絡(luò)模型。IGBT 和續(xù)流二極管都采用了4階連續(xù)熱網(wǎng)絡(luò)Cauer 模型，兩者并聯(lián)關(guān)系，共同模擬工況環(huán)境中功率器件的傳熱關(guān)系。熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)可從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上得到，則動(dòng)態(tài)模型中考慮的熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖5 所示。

圖5 IGBT 和二極管熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Thermal network model of IGBT and diode

2.3 模型介紹

基于該款I(lǐng)GBT 封裝模塊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立IGBT 封裝有限元模型，用于提取IGBT 寄生參數(shù)。根據(jù)廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)，建立IGBT 內(nèi)核動(dòng)態(tài)模型，同時(shí)考慮器件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。結(jié)合IGBT 動(dòng)態(tài)模型和寄生參數(shù)提取模型，構(gòu)建該款I(lǐng)GBT 封裝模塊的精確電路。

2.3.1 IGBT 封裝有限元模型

本文采用有限元軟件提取器件的寄生參數(shù)。該款I(lǐng)GBT 封裝模塊主要包括隔離基板和鋁基板，隔離基板一般為高絕緣材料，在提取封裝模塊寄生參數(shù)過(guò)程中，本文暫不考慮隔離基板結(jié)構(gòu)，IGBT 封裝模塊內(nèi)部鋁基板上共含有3 組芯片，芯片通過(guò)絕緣材料環(huán)氧樹脂安裝在鋁基板上。建立IGBT 封裝模塊的有限元模型，網(wǎng)格劃分如圖6 所示。器件的寄生參數(shù)包括寄生電阻、寄生電感和寄生電容，在運(yùn)用仿真軟件求解寄生參數(shù)的過(guò)程中，分別通過(guò)AC/DC 求解功能提取寄生電阻和寄生電感，CG 求解功能提取寄生電容。對(duì)于AC 求解網(wǎng)格對(duì)表面、拐角、連接部位等位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密，充分考慮趨膚效應(yīng)對(duì)電感和電阻的影響；對(duì)于CG 求解網(wǎng)格需要考慮電荷的分布，對(duì)邊角和過(guò)渡位置進(jìn)行加密。

圖6 IGBT 寄生參數(shù)提取模型網(wǎng)格Fig.6 Mesh of IGBT parasitic parameter extraction model

上述IGBT 封裝有限元模型材料屬性如表1 所示，其中鋁基板采用鋁合金材料，芯片及所有連接芯片導(dǎo)線采用紫銅材料，芯片與基板之間為環(huán)氧樹脂材料。

表1 IGBT 封裝材料屬性Tab.1 Properties of IGBT packaging materials

對(duì)于一般電路仿真采用IGBT 開關(guān)頻率的2～3倍即可滿足仿真精度需求，為最大程度確保詳細(xì)電路模型的仿真精度，進(jìn)行寄生參數(shù)計(jì)算時(shí)，在準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的范圍內(nèi)，盡量提高其掃描頻率。根據(jù)傳導(dǎo)電磁干擾主要頻段確定最大掃描頻率為30 MHz，對(duì)于變流器系統(tǒng)，最大開關(guān)頻率較低，通常在500 Hz左右，因此最低掃描頻率為500 Hz。則掃描間隔采用Log 等間隔取點(diǎn)，間隔如圖7 所示。

圖7 掃描頻率間隔取點(diǎn)Fig.7 Sampling intervals of scanning frequency

同時(shí)，為建立精確的IGBT 封裝電路模型，在寄生參數(shù)提取前，需根據(jù)實(shí)際電路連接關(guān)系設(shè)置對(duì)應(yīng)的引腳，用于IGBT 動(dòng)態(tài)模型和外電路的連接。

2.3.2 IGBT 內(nèi)核動(dòng)態(tài)模型

本文采用仿真軟件建立IGBT 內(nèi)核動(dòng)態(tài)模型。首先根據(jù)該IGBT 數(shù)據(jù)手冊(cè)的各項(xiàng)參數(shù)，綜合考慮IGBT 的額定溫度和非額定溫度的轉(zhuǎn)移特性、傳輸特性和續(xù)流二極管的輸入特性，導(dǎo)通關(guān)斷延遲時(shí)間，以及IGBT 和二極管的熱模型，建立IGBT 的動(dòng)態(tài)參數(shù)化模型。然后根據(jù)這些靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行IGBT 動(dòng)態(tài)模型參數(shù)擬合，生成最終的IGBT 動(dòng)態(tài)模型。IGBT 動(dòng)態(tài)模型的建模步驟如圖8 所示。

圖8 IGBT 動(dòng)態(tài)模型建模步驟Fig.8 Modeling procedures of IGBT dynamic model

為了測(cè)試IGBT 動(dòng)態(tài)模型的導(dǎo)通、關(guān)斷特性是否準(zhǔn)確，可采用半橋測(cè)試電路檢測(cè)，如圖9 所示。測(cè)試電路中的各個(gè)參數(shù)可從數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲得，如：電壓源Ecc為3 600 V、線路電感Lcc為18 nH 等。在測(cè)試中，開關(guān)管動(dòng)態(tài)IGBT1 處于一直導(dǎo)通狀態(tài)，動(dòng)態(tài)IGBT2 則以固定頻率導(dǎo)通關(guān)斷，本次測(cè)試電路中開關(guān)頻率為20 kHz，占空比為0.5。

圖9 IGBT 動(dòng)態(tài)模型半橋測(cè)試電路Fig.9 Half-bridge test circuit of IGBT dynamic model

2.3.3 IGBT 封裝精確電路及在牽引系統(tǒng)的應(yīng)用

由上述IGBT 內(nèi)核動(dòng)態(tài)模型和IGBT 封裝提取寄生參數(shù)有限元模型，結(jié)合該型號(hào)IGBT 封裝電路拓?fù)洌GBT 封裝模塊的精確電路，如圖10 所示。在精確電路中包括1 個(gè)IGBT 封裝板和3 個(gè)芯片內(nèi)核的動(dòng)態(tài)模型，同時(shí)留有集電極、發(fā)射極和柵極引腳接口，用于外部電路連接。

圖10 IGBT 封裝模塊精確電路Fig.10 Precise circuit of IGBT packaging module

在牽引系統(tǒng)中，牽引整流器、牽引逆變器和輔助逆變器使用了大量的功率器件。以牽引整流器功率器件應(yīng)用為例，其電路模型如圖11 所示。其中每個(gè)4QC 功率模組都包含8 個(gè)IGBT 封裝模塊，由理想元器件搭建的理想電路模型如圖11（a）所示。將所有IGBT 理想器件都采用IGBT 封裝模塊精確電路代替，建立牽引變流器的精確電路模型，如圖11（b）所示。整個(gè)牽引變流器共有16 個(gè)精確IGBT 模型。

圖11 牽引整流器電路模型Fig.11 Circuit model of traction rectifier

3 仿真分析

3.1 IGBT 封裝寄生參數(shù)提取

由上述IGBT 封裝寄生參數(shù)有限元模型計(jì)算，可提取IGBT 封裝模塊內(nèi)部各個(gè)回路的寄生電感（自感和互感）、寄生電容和寄生電阻。

由于IGBT 的引腳眾多，寄生互感曲線眾多，關(guān)系復(fù)雜，這里以模塊內(nèi)部的寄生自感曲線說(shuō)明計(jì)算結(jié)果，如圖12 所示。由圖12 可得，電感隨頻率的增加而逐漸減小，直到趨向于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值。隨著頻率增加，由于趨膚效應(yīng)使得內(nèi)部沒有能量場(chǎng)而導(dǎo)致電感逐漸減小，計(jì)算結(jié)果與理論趨勢(shì)一致。

圖12 IGBT 封裝模塊各回路寄生自感Fig.12 Parasitic self-inductance of each path in IGBT packaging module

寄生電容不隨頻率的變化而變化，求解得到的是電容矩陣，可分為對(duì)地電容和回路間電容。

寄生電阻曲線的計(jì)算結(jié)果如圖13 所示，電阻值隨著頻率的增大而增大。因趨膚效應(yīng)隨著頻率的增大使得電流通過(guò)導(dǎo)體的等效截面積逐漸減小而引起電阻增大，計(jì)算結(jié)果與理論趨勢(shì)一致。

圖13 IGBT 封裝模塊各回路寄生電阻Fig.13 Parasitic resistance of each path in IGBT packaging module

從IGBT 封裝寄生參數(shù)提取結(jié)果的趨勢(shì)方面，對(duì)比理論分析，得到的結(jié)果一致。因此，定性分析結(jié)果來(lái)看，所采用的寄生參數(shù)提取方法是正確的，且所建立的IGBT 封裝模型也較為準(zhǔn)確。

3.2 IGBT 動(dòng)態(tài)模型導(dǎo)通、關(guān)斷特性

通過(guò)半橋測(cè)試電路測(cè)試IGBT 動(dòng)態(tài)模型的導(dǎo)通和關(guān)斷特性，電路仿真得到的導(dǎo)通特性曲線和關(guān)斷特性曲線如圖14 所示。由圖14 可以看出，IGBT 導(dǎo)通過(guò)程中電流存在反向恢復(fù)尖峰，并且逐漸振蕩恢復(fù)額定電流；IGBT 關(guān)斷過(guò)程中電壓存在反向恢復(fù)尖峰，且電流存在明顯的拖尾效應(yīng)，IGBT 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性在該動(dòng)態(tài)模型中得到了良好的體現(xiàn)。

圖14 IGBT 動(dòng)態(tài)模型的導(dǎo)通和關(guān)斷特性Fig.14 On-state and turn-off characteristics of IGBT dynamic model

根據(jù)動(dòng)態(tài)模型仿真曲線測(cè)得IGBT 的導(dǎo)通延遲時(shí)間Tdon、關(guān)斷延遲時(shí)間Tdoff、電流上升時(shí)間Tr、下降時(shí)間Tf，數(shù)據(jù)手冊(cè)中數(shù)值的對(duì)比結(jié)果如表2 所示。從兩者的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，仿真測(cè)試結(jié)果與廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)的數(shù)值非常接近，偏差基本都在15%以內(nèi)，表明該IGBT 動(dòng)態(tài)模型符合實(shí)際情形，且該建模方法極具可靠性。

表2 IGBT 導(dǎo)通、關(guān)斷動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)Tab.2 Data of on-state and turn-off dynamic characteristics of IGBT

3.3 牽引整流器功率模塊仿真計(jì)算

在牽引系統(tǒng)中，25 kV 的單相交流電經(jīng)牽引變壓器降壓為1 900 V 單相交流電，輸入給牽引整流器進(jìn)行AC/DC 轉(zhuǎn)換。本文分別采用2.3.3 節(jié)中的牽引整流器理想電路和精確電路模型，在牽引系統(tǒng)輔助系統(tǒng)滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)開展計(jì)算分析，2 種模型的中間直流環(huán)節(jié)的電壓都在3 600 V 附近波動(dòng)，對(duì)比中間直流環(huán)節(jié)的P 端的電流曲線，如圖15～17 圖所示。

圖15 中間直流環(huán)節(jié)電流曲線對(duì)比Fig.15 Comparison of current curves in middle DC section

圖16 中間直流環(huán)節(jié)電流0～150 kHz 頻譜對(duì)比Fig.16 Comparison of frequency spectra at 0～150 kHz of middle DC section current

圖17 中間直流環(huán)節(jié)電流150 kHz～30 MHz 頻譜對(duì)比Fig.17 Comparison of frequency spectra at 150 kHz～–30 MHz of middle DC section current

從上述對(duì)比結(jié)果可知，在牽引整流器理想電路與詳細(xì)電路模型的電流頻譜對(duì)比中，在0～10 kHz的低頻段范圍內(nèi)，2 條曲線幾乎重疊，成分及大小完全一致；而在10 kHz 以上頻段中，詳細(xì)電路的電流成分更大、更豐富。并且對(duì)于傳導(dǎo)電磁干擾主要表現(xiàn)的頻段范圍150 kHz～30 MHz，此范圍頻段內(nèi)的詳細(xì)電路電流頻譜略微大于理想電路電流頻譜，表明詳細(xì)電路模型計(jì)算結(jié)果可以更加凸顯該頻段范圍的頻譜成分。因此，采用IGBT 封裝精確電路所建立的整流器詳細(xì)電路模型能夠體現(xiàn)更加豐富的高頻成分，有利于后續(xù)其他性能的準(zhǔn)確計(jì)算分析，如變流器系統(tǒng)的EMC 性能分析。

4 結(jié)論

本文研究了牽引變流器用大功率IGBT 封裝模塊的精確建模方法。在分析IGBT 工作原理和特性的基礎(chǔ)上，充分考慮其靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及封裝寄生參數(shù)影響，結(jié)合寄生參數(shù)提取矩量法和IGBT 動(dòng)態(tài)模型等效電路分析法，建立了更為精確的IGBT 封裝電路模型，并以牽引變流器中的整流器電路為例，依據(jù)IGBT 封裝精確電路，構(gòu)建了更為詳細(xì)的整流器精確電路模型。仿真結(jié)果表明：

（1）基于該IGBT 封裝寄生參數(shù)有限元模型，可提取寄生電感、電容和電阻參數(shù)。其中寄生電感隨頻率增高而降低，寄生電容不隨頻率變化，寄生電阻隨頻率增高而增高，符合理論預(yù)測(cè)的趨勢(shì)；

（2）通過(guò)IGBT 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的仿真測(cè)試分析，獲得了與廠商提供值相近的動(dòng)態(tài)參數(shù)值，驗(yàn)證了所建模型的有效性和準(zhǔn)確性；

（3）牽引整流器功率模塊仿真計(jì)算表明，精確電路模型比理想電路仿真輸出能夠更加準(zhǔn)確地突出系統(tǒng)的高頻信息。

綜上，該模型的應(yīng)用，對(duì)于含有大功率IGBT 器件系統(tǒng)開展的損耗計(jì)算、EMC 分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等極具參考意義。然而，對(duì)于整個(gè)牽引系統(tǒng)電路模型的準(zhǔn)確分析，不僅要考慮IGBT 封裝的精確建模，也要進(jìn)一步考慮其他元器件的精確建模。