基于Simplorer /Simulink联合仿真计算IGBT损耗的方法

2021-01-25张幸福肖明康石其辉

微特电机 2021年1期

朱元，张幸福，肖明康，石其辉，陆科

(1.同济大学汽车学院，上海 201800；2. 同济大学中德学院，上海 201800)

0 引言

电动汽车凭借其优良的节能环保性能受到越来越多人的青睐，IGBT作为电动汽车不可缺少的重要部件，其可靠性也成为人们研究的重点。由于IGBT经常工作在高温、高功率的环境下，工作时其内部结温会不断升高，从而产生热应力，最终将在封装的薄弱环节处引起失效[1]。研究表明，约55%的功率模块失效是由于IGBT结温引起的[2]。而IGBT的损耗计算是估计结温的前提，因此，有必要准确计算IGBT的损耗，为选择合适的功率模块，设计合理的散热装置，以及对IGBT可靠性分析提供数据支持。

目前，国内外有关IGBT损耗研究主要通过搭建IGBT物理模型或者通过公式推导进行损耗计算[3-6]。物理模型方法主要采用Pspice[7]、Saber[8]等仿真软件，使用电源、电容等一些相对简单的元件，搭建器件物理模型来仿真IGBT动态特性，得到IGBT模块瞬间电流、电压波形进而计算损耗。然而，这些仿真软件难以搭建电路控制模块，且没有考虑负载电机模型对损耗的影响。采用Simulink搭建损耗公式可以比较容易地实现损耗计算，且Simulink模型能够实现电路控制模型的搭建，但是模型没有考虑IGBT开关延迟等情况，这就导致了仿真结果不准确，不能完全反映电机运行的真实情况，得到的逆变器IGBT损耗也与实际结果相差较大[9-10]。也有通过联合仿真的方式，对电机进行控制。文献[11]基于Simplorer/Maxwell的联合仿真对高速感应电机进行控制，计算和分析了电机电磁损耗，然而没有考虑逆变器IGBT模块的损耗；文献[12]通过Simplorer/MATLAB联合仿真，实现了光伏并网逆变器的仿真建模，研究重点主要在与逆变器并网电流的控制策略上，同样没有考虑逆变器IGBT模块的损耗问题。

本文提出了基于Simplorer/Simulink的联合仿真计算IGBT损耗的方法。首先分析推导了IGBT损耗计算公式，然后在Simulink中搭建电机控制算法与损耗模型，在Simplorer中搭建IGBT模型与电机有限元模型，通过联合仿真的方式发挥各自软件的优点，最后进行实验验证，发现相较于公式计算结果，联合仿真结果获取的损耗更加接近逆变器IGBT的实际工作情况。

1 IGBT损耗计算

IGBT模块的开关过程如图1所示。从图1中可以看出，IGBT的损耗包括导通损耗和开关损耗两部分，本文采用近似计算的方法，针对一个电流周期，分别对导通与开关损耗进行计算[13]。

图1 IGBT模块的开关模型

1.1 IGBT导通损耗

IGBT的导通损耗是指IGBT完全导通时所产生的损耗，主要由IGBT的导通电流和导通压降决定。假设电流周期为Tc，开关周期为Tsw，一个电流周期内有N个开关周期，则导通损耗可计算如下:

(1)

式中：Vceo为IGBT导通时的压降；Rce为IGBT的导通电阻。

考虑到电流周期Tc远大于开关周期Tsw，故可得：

(2)

式中：D(t)为IGBT导通的占空比。

基于文献[14]对损耗的研究，可以对式(2)进行简化计算，得到IGBT导通损耗公式：

(3)

式中：I为相电流最大值；m为调制比；φ为功率因数角。

类似地，可计算续流二极管FWD导通损耗公式，不同的是FWD导通的占空比为1-D(t)。

(4)

式中：Rf为FWD导通电阻；Vf为FWD的导通压降。

1.2 IGBT开关损耗

IGBT的开关损耗是指在开关过程中产生的损耗，包括开通损耗和关断损耗两部分[15]。其表达式如下：

(5)

式中：fsw为逆变器开关频率。

开关损耗与输出电流大致成正比，可以根据器件数据手册中的额定电流I下的每次开通和关断能量损耗，对瞬时电流i下的单个开关能量作线性近似[16]。在实际应用中，直流母线电压也是影响器件开关损耗的主要因素，因此也要在额定电压的一定范围内对损耗作线性调整。考虑到这两个因素，可以得到改进后的开关损耗计算公式：

(6)

式中：fsw为逆变器开关频率；Eswref为数据手册中IGBT的开关损耗；Vdc,Imax分别是仿真过程中的母线电压和相电流最大值；Vdcref,Imaxref分别为数据手册中母线电压与相电流最大值的参考值。FWD开关损耗也可以根据同样的原理得出：

(7)

1.3 IGBT总损耗

以上分析的是单个IGBT及其反并联续流二极管的功率损耗，由于整个逆变器是由6个IGBT与FWD组成，其总损耗可以近似认为是单个IGBT损耗及FWD的6倍，因此总损耗p如下：

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

(8)

2 联合仿真建模

为模拟逆变器带有电机负载时的运行情况，弥补Simulink仿真时忽略电机自身的非线性特点和IGBT非理想开关的特性，以及ANSYS Maxwell 软件进行电机的电磁仿真过程中无法加入电机控制算法的问题，本文提出在Simulink中搭建电机控制算法与损耗模型，在Simplorer中搭建IGBT模型与电机有限元模型，通过联合仿真的方式对IGBT损耗进行研究。该方法的仿真效果更加接近逆变器实际工作情况，获取IGBT损耗也更加准确。

2.1 Simplorer中模型搭建

Simplorer主要进行电机场路耦合，即通过在Simplorer中建立逆变器模型，然后在Ansoft Maxwell 中设置Simplorer接口功能,将电机的电磁模型导入到Simplorer中，最后将仿真电流等参数反馈至Simulink模型。

Simplorer软件中半导体器件选用高级动态模型来建模。首先需要根据 IGBT手册查找相应的参数，通过IGBT建模工具提取参数，如转移特性曲线和输出特性曲线，然后进行隔热设置，保存后生成测试电路，执行测试电路可得到IGBT的开通关断曲线。图2为搭建完成的IGBT开关过程示意图。测试波形中存在导通和关断延迟，证明设计的IGBT符合使用要求，能够反映IGBT实际的工作状况。

图2 Simplorer中IGBT模型开关波形图

完成逆变器中IGBT模块建模后，便可以导入电机的有限元模型。电机的端部电感和电阻是不能忽略的，因此要在逆变器与电机之间添加端部电感和电阻。在电机输出一侧，还需要添加测量模块来获取电机参数，包括电机转速、角度以及转矩等变量，电机控制算法根据这些参数对电机进行控制。设置完成后，可以通过Simplorer直接获取IGBT两端电压与电流的变化，进而得到损耗。

2.2 Simulink中模型搭建

将电机控制模型、逆变器IGBT模型、电机电磁瞬态场模型通过AnsoftSimplorer软件整合以后，便可以通过Simulink建立三相电机控制的联合仿真模型。Simulink中的模型主要包括电机控制模块和损耗计算模块两部分组成。

电机控制模块主要通过FOC控制算法实现对电机的控制。FOC算法实现过程为采集到三相电流，经过Clarke变换后得到两轴正交电流量Iα,Iβ，然后通过Park变换得到旋转坐标系下电流Id,Iq，在实际控制中，一般采用Id=0的控制策略。将Iq与Id反馈与命令的差值分别送进PI调节器，得到对应的输出Vq和Vd；通过传感器得到电机转过的角度，进行Anti-Park变换，得到Vα,Vβ，然后根据SVPWM算法获取逆变器开关的工作状态，并控制逆变器工作，驱动电机转动[17-18]。

损耗计算模块在前面已经详细推导过，将电机控制算法中获取的Id与Iq、Vd与Vq、转角θ、逆变器母线电压VL等变量输入损耗计算模块，即可完成Simulink中公式计算的模型搭建，其模块框图如图3所示。

图3 Simulink中电机控制算法与损耗计算模块

2.3 联合仿真模型

在完成Simplorer与Simulink中的模型搭建以后便可以对两个软件进行接口的配置，具体过程如下[19]：

1) 在Simplorer中添加Simulink连接部件，并对Simulink部件的输入输出端口根据需要进行添加，按照端口与Simplorer中端口进行连接，完成Simplorer部分的配置。

2) 对Simulink进行配置，添加S-Function模块，输入的函数对应Simplorer中的文件名，然后将对应端口连接，连接过程中要保证各个端口数据类型一致。之后设置求解器参数，参数设置要与Simplorer中的设置保持一致。

3) 初始化电机控制系统仿真模型、电机电磁瞬态场仿真模型和逆变器仿真模型的仿真时间和步长；判断模型之间是否建立连接；若能够建立通讯，则可以进行联合仿真计算。

Simplorer联合仿真平台得到MATLAB Simulink输入的控制IGBT模块开关的信号，并经过IGBT驱动信号产生的三相电流输入到Maxwell电机模型中，软件记录电机模型输出的三相电流和电机转矩、转速、转角等信息，最后得到基于联合仿真获取的IGBT损耗和基于公式推导获取的IGBT损耗。图4为联合仿真的总体结构框图。

图4 联合仿真总体结构图

3 仿真结果

仿真实验中，IGBT模型型号为英飞凌FS820模块，电机模型参数如表1所示。

表1 联合仿真负载电机参数表

在配置好仿真步长后，点击Simulink中的开始按钮，即可进行联合仿真。仿真给定的母线电压为350V，冷却液温度为25 ℃，流量为10L/min，开关频率10kHz，控制电流Id=0，Iq=300A，转速设定为1 000r/min。

对仿真结果进行分析，发现三相电流呈正弦形，且三相电流波形峰值与给定的Iq相等，如图5所示，说明电机能够正常运行。IGBT导通电流也呈正弦形，且当IGBT两端电压为母线电压时，通过IGBT的电流为0，此时IGBT处于关断状态；而当两端电压近似为0时，导通电流达到最大值，IGBT处于导通状态，如图6所示，说明IGBT模块开关正常，模型搭建准确。