一种功率器件电压尖峰问题的研究方法

2017-10-13刘念洲李明勇

船电技术 2017年6期

姚奇，刘念洲，李明勇

一种功率器件电压尖峰问题的研究方法

姚奇，刘念洲，李明勇

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

由于功率器件开关速度的提升，功率器件电压尖峰问题变得越发突出。本文首先以两电平逆变器为例来对功率器件电压尖峰问题进行分析，推导出了功率器件电压尖峰的计算公式.同时根据IGBT的DATASHEET构建了IGBT的器件级模型，并且对该模型的开关特性进行仿真测试来验证模型的正确性，最后将该IGBT模型应用于逆变器电压尖峰仿真研究中，仿真结果表明，本文的方法具有较高的准度和实用性，可以较好地指导功率器件电压尖峰问题研究。

功率器件电压尖峰器件级模型开关特性

0 引言

功率半导体器件的快速通断能力提升会使功率器件产生较高的d/d[1-3]，其与回路中杂散电感相互作用，会使得功率器件电压尖峰问题越来越突出，阻碍功率器件电压等级的提升，因此研究电压尖峰问题对提升功率器件电压等级意义重大。

目前绝大多数文献是通过理论分析与实验相结合的方式来研究功率器件电压尖峰问题[3-5]，这种研究方法对实验的依赖性较强，而对电压尖峰的分析预测能力相对较为缺乏，本文以两电平逆变器为例来分析功率器件的电压尖峰问题，将所构造的IGBT器件级模型应用于电压尖峰问题的仿真分析中，对本文的理论分析进行验证。

1 功率器件电压尖峰问题分析

本文以两电平逆变器为例来研究功率器件开关过程中的电压尖峰问题，测试电路如图1所示，其中s是电容到IGBT连接端子的等效杂散电感，s11~s62为IGBT模块内部芯片到端子的杂散电感（为叙述方便，省略后面原理图的杂散电感）。

1.1 IGBT的关断瞬态过程分析

在研究中先同时给T1和T4门极115 μs的开通脉冲电压信号，在T1管和T4管导通后，由电压源dc、1、1、2、2组成了一个一阶的瞬态电路（见图2），导通过程中负载电流满足：

随后两个IGBT同时关断，在T1、T4关断的瞬态过程中，由于时间很短（微秒级），流经L1、L2的电流值变化基本可以忽略（假设此刻的电流值为0），因此在该过程中可以用两个电流值为0的电流源来代替A、B两相负载，图3为T1、T4关断的瞬态过程中回路电流的示意图。假设关断过程中图3（a）所示电流方向为参考方向，则由基尔霍夫电压、电流定律可知：

（2）

（4）

（5）

图2 IGBT导通过程示意图

在理想情况下，每个IGBT管的特性均相同，故有1=4，2=3，同时根据式（2）~（6）可得：

（8）

（9）

最终T1管和T4管均关断，T2管和T3管的续流二极管分别导通续流（见图3（b）），电流从0逐渐减小为0，该过程的电流满足：

从式（7）和式（8）中可以看出T1和T4管在关断过程中电压尖峰的产生主要与集电极电流的变化率和回路中存在的杂散电感值有关。

2 功率器件电压尖峰仿真研究

2.1 IGBT器件级模型建立

IGBT模型主要分为基于物理结构的模型和基于数学方法的模型[5]，采用物理结构建模可以较为准确地描述器件的稳态和动态工作特性，但其需要用户清楚地了解IGBT的内部结构和开通关断阶段的工作过程，尤其是如何确定模型参数值的工作较为复杂[6]。基于数学方法的IGBT模型是根据功率器件在各种工况下的实验数据而建立的函数关系，因此需要进行大量的实验[4]。

（a）

（b）

图3 IGBT关断过程电流示意图

图4为本文所建立的IGBT等效电路模型，该模型的主体部分是电力晶体管与MOSFET所组成的达林顿结构以及续流二极管的结构，其他部分则为R、L、C以及电流源所组成的电路，该模型克服了复杂的模型参数值确定工作，因此具有较好的实用性。

图4 IGBT等效电路模型

2.2 IGBT模型测试

为了验证所建立IGBT器件级模型的准确性，建立图5所示测试电路，对型号为FF450R12ME4的IGBT模型的开关时间在结温为150度情况下进行脉冲测试，将仿真所得的参数与英飞凌实际测试后所得出的数据表参数相对比可得表1，从表1中可以看出本文所建立的器件级模型具有较高的精度，可以满足仿真需要。

表1 IGBT开关时间仿真值与实际值对比

图5 IGBT仿真测试

图6 电压尖峰仿真模型

2.3 基于器件级模型的电压尖峰仿真研究

采用本文中的IGBT器件级模型可以对上述电压尖峰问题进行仿真研究，由于T1和T4管电压尖峰的分析方法相似，本文着重对T1进行分析。图6为电压尖峰的仿真模型，其中仿真参数设置如下：电压源电压为488 V，驱动电源为两个115 μs的电压脉冲，负载电感为0.028 mH，负载电阻设定为0.5 mH，电容设定为1 mF，驱动电阻设定为1.3 Ω，将s11~s62均设定为为5 nH（该参数可从IGBT数据表查出），图7为母线杂散电感值为5 nH时的仿真波形，其中实线为T1两端的电压波形，长虚线为流过T1的电流波形，短虚线为流过A相电阻R1两端的电流波形，从仿真波形图中可以看出T1从关断开始到完全关断负载电流的变化为6 A（相对于最大值422 A可以忽略不计），这与理论分析也是相符的，同时T1导通的时候与负载1、1是串联关系，因此T1电流波形与1电流波形在T1、T4导通状态下是重合的，T1、T4关断以后T2和T3的二极管均导通续流，故此时电压表VM1两端的电压稳定在488 V，最终续流电流逐渐减小为0，此过程满足式（10）。