面向中低速磁浮列車IGBT開關(guān)損耗的PSpice仿真研究

楊 清，王連春，遲振祥

(國(guó)防科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

目前越來越多的城市考慮將中低速磁浮列車作為市內(nèi)公共交通工具。磁浮列車具有以下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行安靜，不影響附近居民生活生產(chǎn)；清潔節(jié)能；爬坡能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎半徑小，更適合城市的復(fù)雜地形；磁浮列車不會(huì)與軌道直接接觸，大大減少軌道維護(hù)費(fèi)用等。磁浮列車具有上述輪軌列車所不具備的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此，磁浮列車是具有長(zhǎng)久發(fā)展前景的一種市內(nèi)公共交通工具。隨著磁浮列車的使用越來越廣泛，磁浮列車的運(yùn)行性能安全也受到前所未有的重視[1]。

懸浮斬波器是磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中的重要部分，在一般的電力電子變流器中，功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路故障占變流裝置所有故障的比例最大，懸浮斬波器的可靠性是由各個(gè)元件的可靠性及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性綜合決定的。絕緣柵極晶體管(IGBT)是磁浮列車懸浮控制機(jī)箱中斬波器的重要組成元件。IGBT是一種重要的功率半導(dǎo)體器件，是在GTR和MOSFET器件基礎(chǔ)上取長(zhǎng)補(bǔ)短而成的復(fù)合器件。IGBT因?yàn)槠溟_關(guān)頻率高并且具有較好的耐壓能力而應(yīng)用在磁浮列車的懸浮控制工程中。除此之外，IGBT還具有驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、導(dǎo)通時(shí)飽和壓降低等特點(diǎn)，使得其在工程應(yīng)用中受到重視，且應(yīng)用場(chǎng)景廣泛[2]。目前IGBT廣泛使用于軌道交通、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、艦艇、飛機(jī)中。在實(shí)際工程中，因?yàn)镮GBT的燒損帶來故障的比例居高不下，因此本課題對(duì)于IGBT的應(yīng)用具有實(shí)際意義以及工程價(jià)值[3]。

因此，工程師們很關(guān)心IGBT的各項(xiàng)性質(zhì)及其仿真模型，因?yàn)橹懈吖β蔍GBT器件的價(jià)格高，進(jìn)行實(shí)物調(diào)試的開發(fā)周期很長(zhǎng)，如果在調(diào)試過程中有燒損，將增加項(xiàng)目成本。對(duì)IGBT的計(jì)算機(jī)仿真包括其靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性的擬合，目前比較著名的有Henfer模型[4]。如果有一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述IGBT動(dòng)靜態(tài)特性的計(jì)算機(jī)仿真模型，便可以低成本快速得到指定型號(hào)IGBT的工作特性，以及其在工作電路中的特性指標(biāo)，甚至嘗試IGBT工作的極端條件電路試驗(yàn)，并能夠在不損害IGBT的情況下計(jì)算IGBT的功率損耗甚至IGBT的預(yù)期使用壽命。尤其是關(guān)于IGBT的可靠性分析方面的試驗(yàn)，更能體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)仿真模型的高性價(jià)比和實(shí)效性。所以使用IGBT仿真模型作為試驗(yàn)的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)殚_發(fā)者節(jié)約大量的時(shí)間和成本[5]。最常用的電路仿真計(jì)算機(jī)軟件有PSpice和MATLAB，其中PSpice的元件庫(kù)中并沒有現(xiàn)成的IGBT模型，而MATLAB中雖然有IGBT模型，但也只是粗淺地將它作為開關(guān)元件，并不能在仿真電路中設(shè)置IGBT特性參數(shù)以及反映IGBT工作中的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性，且MATLAB中IGBT模塊型號(hào)極少，其可調(diào)節(jié)參數(shù)也很少，并不適合針對(duì)特定工程對(duì)象進(jìn)行仿真。而且通過查閱資料可以明確得知PSpice的電路仿真精度高于MATLAB[6]。

本課題使用仿真軟件PSpice對(duì)IGBT進(jìn)行電路分析。PSpice不僅可視化界面友好，學(xué)習(xí)成本低，并且PSpice對(duì)電路的算法先進(jìn)，仿真結(jié)果精確?，F(xiàn)有的IGBT計(jì)算機(jī)模型遠(yuǎn)不能滿足開發(fā)需求，PSpice元件庫(kù)中擁有眾多算法優(yōu)秀的基礎(chǔ)元件模型，這些模型能夠較好地體現(xiàn)出自身在電路中的重要工程特性，忽略瑣碎微弱的其他物理特征，這使得使用PSpice仿真平臺(tái)需要考慮設(shè)置的參數(shù)不多，因此使用PSpice軟件作為項(xiàng)目的仿真平臺(tái)構(gòu)造的IGBT模型可以更加靈活，能夠?qū)Χ喾NIGBT的模型進(jìn)行擬合，并且更加準(zhǔn)確地反映IGBT在電路開關(guān)過程的電壓變化情況[7]。

1 IGBT基本構(gòu)成

首先分析IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。IGBT大致分成4層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部存在一個(gè)寄生晶閘管，等效電路如圖1所示[6]。

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)

如圖1所示，IGBT整體結(jié)構(gòu)由MOSFET(N溝道型)和GTR部分(PNP型)組成。該結(jié)構(gòu)稱為達(dá)靈林頓結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，MOSFET作為驅(qū)動(dòng)元件并且GTR作為主導(dǎo)元件。IGBT的等效電路如圖2所示，其中RS為NPN管中B極與E極之間產(chǎn)生的體區(qū)短路電阻，NPN管P型區(qū)中的橫向空穴定向移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壓降，這對(duì)J3結(jié)而言等效為一個(gè)正偏置電壓。在相應(yīng)的IC工作區(qū)間中，產(chǎn)生的正偏置電壓不足以使得NPN管導(dǎo)通。如果IC的數(shù)值超過相應(yīng)區(qū)間，產(chǎn)生的正偏置電壓使得NPN管導(dǎo)通，并且NPN和PNP管都達(dá)到飽和態(tài)，就會(huì)致使寄生晶閘管導(dǎo)通，從而柵極失去作用，形成擎住效應(yīng)，這將導(dǎo)致IC增大，形成超出閾值的功耗，甚至?xí)p毀器件[8]。

圖2 IGBT等效電路

IGBT模塊是大功率變流器的關(guān)鍵器件。IGBT功率模塊具有不同的尺寸、外形和功能，而且近年來發(fā)展得更緊湊、低成本和可靠。圖3展示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IGBT模塊的3D視圖和剖面圖。

以型號(hào)為FF300R07KE4的工業(yè)IGBT模塊為例[9]，如圖3所示，IGBT結(jié)構(gòu)主要由芯片、直接敷銅，陶瓷基板和底板構(gòu)成，層間通過焊料焊接。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖

IGBT有5種工作狀態(tài)，分別是導(dǎo)通、關(guān)斷、正向阻斷、反向阻斷、以及閂鎖[9]。

(1)導(dǎo)通:當(dāng)電壓UGE>UGE(th)時(shí)，IGBT柵極形成溝道，N+區(qū)自由電子通過溝道進(jìn)入N-漂移區(qū)，同時(shí)也向N-區(qū)進(jìn)入空穴，基極電流由PNP晶體管提供，IGBT正向?qū)ā?/p>

(2)關(guān)斷:當(dāng)UGE=0

(3)正向阻斷:UCE>0，UC>Uth時(shí)未形成溝道，此時(shí)J3受到反向電壓的控制，UCE增大,IC會(huì)變大，IGBT正向阻斷。

(4)反向阻斷:UCE<0，J3反偏，此時(shí)IGBT反向阻斷。此時(shí)IGBT導(dǎo)通性能受其內(nèi)部二極管特性影響。

(5)閂鎖:在特殊條件下，C極與E極之間的晶閘管導(dǎo)通，這種現(xiàn)象叫做閂鎖。閂鎖電流對(duì)器件的電流增益有一定的影響。

清楚了單管IGBT仿真模型電路中每個(gè)基礎(chǔ)元器件在IGBT中所扮演的角色，就可以通過調(diào)節(jié)仿真模型中元器件的數(shù)值和結(jié)構(gòu)來改變IGBT模塊的一些特性。

2 IGBT功率損耗

IGBT的功率損耗包括開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗2個(gè)部分(如圖4所示)，其中在器件開關(guān)頻率很高的情況下，導(dǎo)通損耗的數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)損耗[8]:

圖4 IGBT開關(guān)過程示意圖

PI=PIC+PIS

(1)

式中：PI為IGBT在一個(gè)開關(guān)周期的平均功率損耗；PIC為IGBT在開關(guān)周期內(nèi)的平均導(dǎo)通損耗；PIS為IGBT在開關(guān)周期內(nèi)的平均開關(guān)損耗。

PIC相較PIS小很多，尤其在器件開關(guān)頻率很高情況下。

開關(guān)損耗包括[10-12]：開通損耗和關(guān)斷損耗，損耗產(chǎn)生的主要原因在于通過集電極的電流IC和集射極之間電壓UCE共同作用的結(jié)果。

對(duì)于開關(guān)損耗的理論計(jì)算模型為：

開通損耗：

(2)

關(guān)斷損耗：

(3)

式中：Pon為開通損耗功率；Poff為關(guān)斷損耗功率；ton為開通時(shí)間；toff為關(guān)斷時(shí)間；IC為集電極電流；U為集射極電壓。

IGBT導(dǎo)通器件有效電壓以及有效電流均不為0，因此會(huì)存在功率損耗[13-14]。

導(dǎo)通損耗：

Pcond_IGBT=UceIC

(4)

Pcond_FWD=VFIF

(5)

式中：Pcond_IGBT為IGBT的導(dǎo)通損耗功率；Pcond_FWD為FWD(反向并聯(lián)二極管)的導(dǎo)通損耗功率；Uce為IBGT在大電流下的飽和壓降；VF為二極管在大電流下的導(dǎo)通壓降；IC、IF為器件導(dǎo)通時(shí)的有效電流。

3 IGBT的PSpice仿真

通過FF300R07KE4工業(yè)IGBT模塊的說明文檔可找到IGBT元件的基本電路示意圖，如圖5所示。

圖5 FF300R07KE4 IGBT模塊

此IGBT模塊擁有2個(gè)IGBT核心，屬于雙管IGBT結(jié)構(gòu)。這是一款在大型高功率用電設(shè)備中常使用的元件。

在PSpice繪圖面板中的靜態(tài)模型電路圖如圖6所示。

圖6 PSpice靜態(tài)特性模型

模型中各部分組成：

(1) MOSFET模型和GTR模型：選擇同種溝道的MOSFET模型作為電路驅(qū)動(dòng)，MOSFET模型多用于小尺寸MOS器件，根據(jù)待仿真的IGBT具體性能選擇仿真元件參數(shù)；GTR模型采用雙極結(jié)型晶體管，該模型是正向和反向晶體管疊加。

(2) 電流控制電壓源：當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，N+區(qū)向N-區(qū)注入大量空穴。N-區(qū)電子濃度的增加，使得N-區(qū)電子與空穴濃度平衡，提高漂移區(qū)導(dǎo)電能力，使得導(dǎo)通狀態(tài)下IGBT的壓降很低。模擬IGBT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以設(shè)置一個(gè)電流控制電壓源H元件，通過電導(dǎo)調(diào)制確定互阻數(shù)值，并利用集電極電流作為輸入。

(3) Dad和Dbe：IGBT存在擊穿特性，導(dǎo)致GTR模型無法被精確的反映，通過在IGBT靜態(tài)仿真模型中加入Dad和Dbe2個(gè)二極管來體現(xiàn)GTR和MOSFET的擊穿特性，同時(shí)可以增加通過MOSFET的電流。Dad可以體現(xiàn)MOSFET的D極與S極之間的擊穿電壓，Dbe則能夠體現(xiàn)GTR的B-E極之間反向擊穿電壓。如果只關(guān)注IGBT的電流電壓特性，那么去掉這2個(gè)二極管也不會(huì)有明顯變化。

(4) 通過調(diào)節(jié)Re、Rg、Rc的數(shù)值對(duì)IGBT的啟動(dòng)電壓進(jìn)行改變。Rs是MOSFET的源極寄生電阻。

雖然已經(jīng)建立了仿真模型，但是為了更好地仿真出IGBT的期望特性，需要重新配置PSpice平臺(tái)GTR和MOSFET結(jié)構(gòu)中的模型參數(shù)。IGBT靜態(tài)特性的基本參數(shù)主要取決于GTR模型的參數(shù)，而且IGBT的開關(guān)時(shí)間也由GTR對(duì)應(yīng)參數(shù)決定。針對(duì)圖6建立的IGBT靜態(tài)特性仿真模型，根據(jù)待仿真IGBT特性配置的GTR模型參數(shù)有:

(1) IGBT正向電流，受GTR的C極電流變化曲線影響；

(2) IGBT正向特性，受GTR結(jié)電壓與其電流變化的曲線影響；

(3) IGBT的飽和電壓，受GTR飽和電壓UCE(sat)與其集電極電流的相關(guān)關(guān)系影響；

(4) GTR正向電流放大倍數(shù)，不要取到最大值；

(5) IGBT輸出電導(dǎo)值,受到GTR輸出導(dǎo)納值影響；

(6) IGBT的存儲(chǔ)時(shí)間、EB電容、CB電容選擇默認(rèn)值或較小值。

得到的IC-VC(E)輸出圖像如圖7所示。

圖7 IC-VC(E)輸出曲線

此圖像與IGBT模塊說明書中IGBT核心的靜態(tài)輸出曲線能夠比較好地對(duì)應(yīng)，說明此IGBT的電路結(jié)構(gòu)能夠有比較好的靜態(tài)特性擬合。

在PSpice的繪圖面板中繪制IGBT的動(dòng)態(tài)特性模型，如圖8所示。

圖8 PSpice動(dòng)態(tài)特性仿真模型

得到的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性曲線IC-VC(E)如圖9所示。

圖9 動(dòng)態(tài)開關(guān)特性曲線

針對(duì)圖9進(jìn)行關(guān)斷損耗計(jì)算：

IC關(guān)斷期間的擬合函數(shù)為：y=-25 000x+60 000；VC關(guān)斷期間的擬合函數(shù)為：y=3 000x-6 600；關(guān)斷時(shí)間0.2 μs。

通過上文關(guān)斷損耗功率的計(jì)算公式對(duì)其進(jìn)行積分計(jì)算，得到關(guān)斷時(shí)刻功耗為100 mJ，其數(shù)值合理。

可以在這個(gè)模型基礎(chǔ)上建立雙核心IGBT的特性仿真電路圖，如圖10所示。

圖10 雙管IGBT模型仿真圖形

得到波形如圖11所示。對(duì)照FF300R07KE4型號(hào)IGBT的工作狀態(tài)，此動(dòng)態(tài)輸出曲線合理。

圖11 雙管IGBT動(dòng)態(tài)輸出曲線

這個(gè)模型將能進(jìn)行型號(hào)FF300R07KE4工業(yè)IGBT模塊的一些動(dòng)態(tài)上的特性仿真，在進(jìn)行相關(guān)的電路設(shè)計(jì)上提供一些數(shù)據(jù)支持。對(duì)其進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)開關(guān)特性計(jì)算(功率損耗計(jì)算)的方法同前文。

4 結(jié)束語

IGBT作為目前被廣泛使用的高功率器件，一直受到工程師們的關(guān)注。尤其是IGBT種類型號(hào)豐富，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，而目前電力電子仿真軟件的元件庫(kù)又比較匱乏，因此設(shè)計(jì)一個(gè)比較精準(zhǔn)的工程可用的IGBT計(jì)算機(jī)模型可以幫助工程師節(jié)約開發(fā)資金以及降低開發(fā)周期，而且計(jì)算機(jī)仿真可以減少IGBT模塊進(jìn)行類似開關(guān)損耗這種對(duì)使用壽命有較大影響的試驗(yàn)。本文提供的PSpice軟件平臺(tái)的IGBT仿真模型能夠較好地與相應(yīng)型號(hào)IGBT模塊的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性曲線相對(duì)應(yīng)，并且通過仿真得到的IGBT功率損耗也是合理數(shù)值。因此，可以使用此IGBT模型進(jìn)行工程電路仿真，為工程中IGBT帶來的功率損耗提出參考數(shù)值。