基于MATLAB/Simulink的IGBT导通模型研究

朱永超，赵刚

(上海交通大学 电气工程系 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240)

基于MATLAB/Simulink的IGBT导通模型研究

朱永超，赵刚

(上海交通大学 电气工程系 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240)

基于现有的MATLAB/Simulink模型，运用S－函数(System Function)，对原IGBT/Diode模型进行改造，设计了一种新的、更加精确的IGBT导通模型，有效地解决了原模型理想导通的弊端，使仿真结果更接近实际。提出了用导通电阻来模拟IGBT导通过程的新思路，触发电压的变化能够实时反映在导通电阻的变化率上，仿真结果证实了这一理论。利用MATLAB/Simulink的封装方法对创建了自定义的IGBT模型，设计了简单的外围电路，对模型进行验证，仿真结果与原模型进行对比，效果明显。最后，用自定义IGBT模型作为开关，建立了雷电流发生电路模型。搭建了硬件测试平台，仿真结果与硬件测试结果进行对比，结果令人满意。

MATLAB/Simulink;IGBT;S－函数;导通电阻;自定义模型

0 引言

MATLAB中的Simulink及Simpower System(SPS)工具箱提供了电力系统和电力电子电路仿真的丰富的模块资源，为电路仿真分析提供了便利［1］。然而，基于仿真效率的考虑，通常一些模块都进行了一定程度的简化，例如IGBT/Diode模块。此模块属于理想开关模型，它在电机控制、电力系统无功补偿等多个领域的仿真建模中有广泛应用。但在其他用途中，如文献［2］的IGBT串联动态均压仿真中，在需要考虑IGBT在不同触发电压下的导通特性时，就不能利用此理想模型，需要更加精细的仿真模型。这也是本文所研究问题的由来。

Simulink中的S－函数(System Function)是一种强大的对模块库进行扩展的新工具。利用S－函数，我们可以定制自己的Simulink 模块［3］。

MATLAB/Simulink依托MATLAB强大的运算能力使电路仿真变得简单，这是它的一大优势。但Simulink另一突出优势在于它的可扩展性。即可以在它的平台上，针对特定问题、特定应用环境，改造现有模块，或重新封装自定义模块，创建新模块，以更好地实现仿真功能。文献［4］介绍了电力系统仿真工具箱的拓展，文献［5］在此基础上开发了新的电力系统仿真工具箱(PSST)。而针对IGBT的仿真模型，文献［6］利用PSIM软件包设计了一种更加准确的IGBT开关模型。因此，本文考虑在MATLAB/Simulink的环境下，利用S－函数，设计新的IGBT模型，使其在导通特性方面能更好地实现仿真功能。

1 建模思路

通过查阅MATLAB/help文档中IGBT模型的内部电路(见图1)描述，发现原模型的开关控制由g是否为0决定，Ron和Lon均为导通后的稳态值，Vf反映了正向导通的Vce门限电压。结合实际的IGBT手册，栅极(g)控制电压也有一个门限值Vth(一般为5 V)。而导通的动态过程中，不同的触发电压对应的导通时间也是不同，这也是工程中常采用强触发的原因之一［7］。

综合上述问题，结合文献［8］和文献［9］所给出的IGBT详细的开关原理和导通过程分析，本文提出如下建模思路:

(1)栅极门限电压可以用比较器简单实现，且Vth可以预先设定(查对应型号的IGBT手册)。

图1 IGBT模型内部描述

(2)对于导通时间，通过导通电阻Ron(动态值)这一参数的变化曲线来反映。Ron初值Ron0设为MΩ级，终值设为前述的Ron稳态值Ronend，中间变化规律采用指数衰减。这样，由IGBT手册得到对应不同触发电压的导通时间ton，再利用如下公式得到时间常数τ:

以上运算需要在仿真进行前运行。

(3)S－函数的作用体现在仿真过程中:a)比较栅极电压Vg与Vth大小，决定输出触发信号g。b)对Vg进行判断，分段写出导通电阻Ron的衰减曲线，如公式(3):

这样，对应此时的仿真时刻，即可得到此时的Ron值。注意:此式中的Ron和t0也要经过处理:即当触发电压改变时，分别对应上一时刻的Ron值和上一时刻t值，这样才能保证Ron连续变化，符合实际。可见S－函数功能之强大。

通过上述讨论，利用M文件进行预运算、赋值、启动仿真，理论上可以实现Ron的连续衰减控制。但SimpowerSystem是MATLAB/Simulink中的一个工具箱，它们之间的接口并非完美。M文件中的set_param()函数虽然可以进行参数传递，从而改变SPS工具箱中模块的参数，但这些改变只能在仿真未运行时，即sim()函数未执行时进行。所以在目前的MATLAB/Simulink环境下，要想在仿真过程中改变导通电阻Ron需要寻求其他途径。

本文一开始考虑的是通过多个断路器串联导通控制来分段模拟连续导通电阻的变化，也能实现基本功能，但断路器的阻值分配和控制复杂，虽然S－函数能实现此功能，但计算量增大，仿真速度太慢。因此本文最终采用通过可控电压源设计的自定义可变电阻模块(R_var)。

2 改造后的IGBT模型

改造后IGBT的整体框图如图2所示。

可以看出，实际触发电压(信号输入端口1:g)与触发门限电压(Vth，预先设定)同时进入S－函数模块，处理后，输出二个信号:1)实际触发信号g，此信号可以直接送入原IGBT模块的触发端口(g)。2)导通电阻Ron的波形，一路送入示波器，便于观察、验证;另一路进入R_var模块，控制产生实际等效电阻波形。

考虑到有些应用场合可能需要实现双向导通，故反并联一二极管。其他均为测量、监控模块，如输出端口1∶m即为模仿原IGBT的测量端口，实现新IGBT模块的电压电流输出。

图2 改造后的IGBT模型

子系统R_var内部设计如图3，此设计明显引入了代数环(Algebraic loop)，容易引起仿真不收敛，需要通过选择合适的算法或者加入延时模块(Td)来避免。

图3 R_var模型

为方便自定义IGBT模块的调用，Simulink提供了Mask(封装)功能。后面的测试电路均调用自定义封装后的IGBT。

3 模型仿真测试

3.1 基本功能测试

基本功能测试采用电路如图4所示。

图4 基本功能测试电路

电路参数如下:直流电源电压220 V，保护电阻和负载电阻均为1 kΩ。IGBT参数参考国际整流器公司IR(International Rectifier)的GPS60B120KD型号的IGBT。触发门限电压采用典型值5 V，触发电压先设定为常数18 V。根据IGBT手册中的导通延迟时间，分别设定对应不同触发电压Vg的导通时间如表1所示。

表1 不同Vg对应的导通时间

在Simulink仿真时加入适当模块，即可得到对应不同触发电压的Ron下降曲线见图5。Ron波形与理论相符。其中Fcn模块中的表达式即公式(2)。

图5 Ron_all波形

将测试电路中的IGBT分别换成原IGBT/Diode模块和改造后的IGBT模块，得到的输出电压如图6所示。

图6 输出电压波形比较

初步结果分析:输出电压上升时间与原IGBT差异明显，更符合实际IGBT的导通特性。因此，此模型可以实现单电压触发时的基本功能。

3.2 强触发测试

当触发电压变化时，测试新模块的导通电阻Ron的变化曲线，测试电路同上。为测试不同触发电压下的Ron波形，故设置触发电压如表2，使其包含三段不同范围。

表2 不同时刻的V g

仿真得到多触发电压时Ron连续波形如图7如示。

图7 多电压触发测试

分析Ron对应于Vg的波形，可以发现，此模型能够反映出触发电压不同时，导通电阻的动态变化，与第二节的理论分析相符，基本达到了预期目标。

3.3 IGBT 串联测试

为解决IGBT串联时的仿真问题，新IGBT模型设计之初即考虑了多IGBT串联仿真的问题。自定义模型的参数设置窗口有一参数为“igbt no.”，此即为了给IGBT编号，此编号可以传递进S－函数模块。S－函数中的变量设为矩阵形式，其中不同行代表不同IGBT的参数随时间的变化值。这样，就实现了用一个S－函数控制多IGBT模块的目的。

两个IGBT模块串联测试电路如图8所示。

图8 IGBT串联测试

触发电压采用18 V常规触发，其他参数未变。其中第二个IGBT的触发电压人为延后40 ns，用来模拟触发延时。将模型中的IGBT分别换成改造后的IGBT和原IGBT进行仿真，得到的第二个IGBT的输出波形如图9所示。

比较两模型的电压电流波形，可以明显看出原IGBT的理想导通特性，从而也显示了新模型的优势所在，这也是本设计的目的。但与此同时，此测试也暴露出了新模型的缺陷:由于导通电阻模块采用受控电压源模拟等效，输入为支路电流，故当支路电流为0时，受控电压源输出为0，相当于R_var模块不起作用，这是产生图示电压跳变的原因。

4 硬件平台验证测试

结合实验室的“500 V组合波发生器”实验装置，在MATLAB/Simulink平台上搭建此装置的如下模型，并进行仿真测试。

图9 串联测试结果对比

图10 硬件平台建模

图10中，IGBT模块参数与前述一致(与实际IGBT型号一致)，触发电压设置为恒定18 V(与实际参数:2节9 V电池一致)。其他电路参数可以参考雷电流发生器典型电路。仿真结果如图11所示。

图11 仿真波形

实验室的“500 V组合波发生器”可以产生1.2/50μs标准雷电流波形，此装置内部采用接触器作为开关器件，有接线端子可以扩展其他形式的开关，本实验使用IGBT作为开关器件。触发采用两节9 V电池串联，即18 V电压。

由于硬件条件限制，实验选用充电电压为200 V，进行多次重复试验，示波器波形如图12所示。

对比仿真结果和实测波形，选取一次试验波形，比较波头波尾时间，具体参数如表3所示。

表3 仿真与实际测试参数对比

图12 实测波形－波尾时间

对比可以看出，仿真结果基本与实测结果相吻合，基本验证了新IGBT模块的可用性。

5 结束语

IGBT是目前发展最快的一种电力电子器件，在各领域有着广泛应用［10］，这就要求我们不断更新现有的仿真模型，得到更加精确、更加符合实际的新模型。本文着眼于MATLAB/Simulink模型中现有IGBT/Diode模块的理想开关特性，提出了用导通电阻来动态模拟IGBT导通过程的建模思想。

借助MATLAB中S－函数的强大功能，实现了针对不同导通电压的导通电阻的不同下降曲线。尽管基于现在的Simulink平台，SimpowerSystem工具箱的接口不能很好的实现这一功能，只能通过受控源自定义可变电阻模块或通过多个断路器进行分段模拟，但这为将来对IGBT导通特性的仿真研究提供了一种很好思路。

本文通过大量的仿真对比和实测对比以验证改造后IGBT模块的可用性，结果都基本达到了预期目标。

［1］王群，耿云玲.Simulink在电路分析中应用［J］.电力自动化设备，2007，27(4):71－75.

［2］金其龙，孙鹞鸿，严萍，等.IGBT串联技术动态均压电路的研究［J］.高电压技术，2009，35(1):176－180.

［3］韩笑，戈祥麟，汪经华.基于S函数的数字式变压器差动保护仿真［J］.继电器，2007，35(9):1－4.

［4］王印松，岑炜，李涛永，等.基于MATLAB/Simulink电力系统仿真工具箱的拓展［J］.电力系统保护与控制，2009，37(20):84－88.

［5］姚伟，文劲宇，程时杰，等.基于MATLAB/Simulink的电力系统仿真工具箱的开发［J］.电网技术，2012，36(6):95－101.

［6］邓夷，赵争鸣，袁立强，等.适用于复杂电路分析的 IGBT模型［J］.中国电机工程学报，2010，30(9):1－7.

［7］郭帆，王海洋，何小平，等.晶闸管强触发电路设计［J］.核电子学与探测技术，2012，32(6):698－700.

［8］李雷，陈坚，洪尧生，等.基于 IGBT的短路试验开关的仿真研究［J］.电气技术，2012，1(6):8－12.

［9］毛鹏，谢少军，许译刚.IGBT模块的开关暂态模型及损耗分析［J］.中国电机工程学报，2010，30(15):40－46.

［10］叶立剑，邹勉，杨小慧，等.IGBT技术发展综述［J］.半导体技术，2008，33(11):937－940.

A Research on IGBT Turn-on Model Based on MATLAB/Simulink

ZHU Yong-chao，ZHAO Gang
(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of the Ministry of Education，Department of Electrical Engineering of Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

Based on the existing MATLAB/Simulink model，by using S-function(System Function)tomodify the existing IGBT/Diodemodel，

we have designed a novel，more accurate IGBT turn-onmodel，thus effectively overcoming the difficulty in achieving ideal conduction in the originalmodel and making simulation resultsmore close to actual situation.In this paper，we propose a new idea for simulating IGBT conduction process through the on-resistance，and variations of the trigger voltage can be reflected on a real-time basis in the variation rate of the on-resistance.The theory is confirmed by simulation results.In the MATLAB/Simulink encapsulatingmethod，we have created a self-defined IGBT model and designed a simple external circuit to verify the model.A comparison between the simulation result and the originalmodel shows that the effect is obvious.Finally，using the self-defined IGBTmodel as a switch，we have set up a model of lighting current generating circuit，and established a hardware test platform.A comparison between the simulation result and hardware test result shows that a satisfactory result is achieved.

MATLAB/Simulink;IGBT;S-function;on-resistance;self-defined model

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.018

TM85

A

1000－3886(2015)06－0056－04

定稿日期:2015－03－31

朱永超(1990－)，男，山东人，硕士生;研究方向为电气试验与高电压技术。