面向中低速磁浮列车IGBT开关损耗的PSpice仿真研究

杨 清，王连春，迟振祥

(国防科技大学，湖南 长沙 410073)

0 引 言

目前越来越多的城市考虑将中低速磁浮列车作为市内公共交通工具。磁浮列车具有以下优点：运行安静，不影响附近居民生活生产；清洁节能；爬坡能力强，转弯半径小，更适合城市的复杂地形；磁浮列车不会与轨道直接接触，大大减少轨道维护费用等。磁浮列车具有上述轮轨列车所不具备的众多优点，因此，磁浮列车是具有长久发展前景的一种市内公共交通工具。随着磁浮列车的使用越来越广泛，磁浮列车的运行性能安全也受到前所未有的重视[1]。

悬浮斩波器是磁浮列车悬浮控制系统中的重要部分，在一般的电力电子变流器中，功率器件及其驱动电路故障占变流装置所有故障的比例最大，悬浮斩波器的可靠性是由各个元件的可靠性及其拓扑结构的可靠性综合决定的。绝缘栅极晶体管(IGBT)是磁浮列车悬浮控制机箱中斩波器的重要组成元件。IGBT是一种重要的功率半导体器件，是在GTR和MOSFET器件基础上取长补短而成的复合器件。IGBT因为其开关频率高并且具有较好的耐压能力而应用在磁浮列车的悬浮控制工程中。除此之外，IGBT还具有驱动功率小、驱动电路简单、导通时饱和压降低等特点，使得其在工程应用中受到重视，且应用场景广泛[2]。目前IGBT广泛使用于轨道交通、新能源发电、电动汽车、舰艇、飞机中。在实际工程中，因为IGBT的烧损带来故障的比例居高不下，因此本课题对于IGBT的应用具有实际意义以及工程价值[3]。

因此，工程师们很关心IGBT的各项性质及其仿真模型，因为中高功率IGBT器件的价格高，进行实物调试的开发周期很长，如果在调试过程中有烧损，将增加项目成本。对IGBT的计算机仿真包括其静态特性、动态特性的拟合，目前比较著名的有Henfer模型[4]。如果有一个能够准确描述IGBT动静态特性的计算机仿真模型，便可以低成本快速得到指定型号IGBT的工作特性，以及其在工作电路中的特性指标，甚至尝试IGBT工作的极端条件电路试验，并能够在不损害IGBT的情况下计算IGBT的功率损耗甚至IGBT的预期使用寿命。尤其是关于IGBT的可靠性分析方面的试验，更能体现出计算机仿真模型的高性价比和实效性。所以使用IGBT仿真模型作为试验的先验数据，能够为开发者节约大量的时间和成本[5]。最常用的电路仿真计算机软件有PSpice和MATLAB，其中PSpice的元件库中并没有现成的IGBT模型，而MATLAB中虽然有IGBT模型，但也只是粗浅地将它作为开关元件，并不能在仿真电路中设置IGBT特性参数以及反映IGBT工作中的静态特性与动态特性，且MATLAB中IGBT模块型号极少，其可调节参数也很少，并不适合针对特定工程对象进行仿真。而且通过查阅资料可以明确得知PSpice的电路仿真精度高于MATLAB[6]。

本课题使用仿真软件PSpice对IGBT进行电路分析。PSpice不仅可视化界面友好，学习成本低，并且PSpice对电路的算法先进，仿真结果精确。现有的IGBT计算机模型远不能满足开发需求，PSpice元件库中拥有众多算法优秀的基础元件模型，这些模型能够较好地体现出自身在电路中的重要工程特性，忽略琐碎微弱的其他物理特征，这使得使用PSpice仿真平台需要考虑设置的参数不多，因此使用PSpice软件作为项目的仿真平台构造的IGBT模型可以更加灵活，能够对多种IGBT的模型进行拟合，并且更加准确地反映IGBT在电路开关过程的电压变化情况[7]。

1 IGBT基本构成

首先分析IGBT内部结构特点。IGBT大致分成4层结构，其内部存在一个寄生晶闸管，等效电路如图1所示[6]。

图1 IGBT结构

如图1所示，IGBT整体结构由MOSFET(N沟道型)和GTR部分(PNP型)组成。该结构称为达灵林顿结构，在此结构中，MOSFET作为驱动元件并且GTR作为主导元件。IGBT的等效电路如图2所示，其中RS为NPN管中B极与E极之间产生的体区短路电阻，NPN管P型区中的横向空穴定向移动会产生压降，这对J3结而言等效为一个正偏置电压。在相应的IC工作区间中，产生的正偏置电压不足以使得NPN管导通。如果IC的数值超过相应区间，产生的正偏置电压使得NPN管导通，并且NPN和PNP管都达到饱和态，就会致使寄生晶闸管导通，从而栅极失去作用，形成擎住效应，这将导致IC增大，形成超出阈值的功耗，甚至会损毁器件[8]。

图2 IGBT等效电路

IGBT模块是大功率变流器的关键器件。IGBT功率模块具有不同的尺寸、外形和功能，而且近年来发展得更紧凑、低成本和可靠。图3展示了一个标准的IGBT模块的3D视图和剖面图。

以型号为FF300R07KE4的工业IGBT模块为例[9]，如图3所示，IGBT结构主要由芯片、直接敷铜，陶瓷基板和底板构成，层间通过焊料焊接。

图3 标准IGBT模块结构图

IGBT有5种工作状态，分别是导通、关断、正向阻断、反向阻断、以及闩锁[9]。

(1)导通:当电压UGE>UGE(th)时，IGBT栅极形成沟道，N+区自由电子通过沟道进入N-漂移区，同时也向N-区进入空穴，基极电流由PNP晶体管提供，IGBT正向导通。

(2)关断:当UGE=0

(3)正向阻断:UCE>0，UC>Uth时未形成沟道，此时J3受到反向电压的控制，UCE增大,IC会变大，IGBT正向阻断。

(4)反向阻断:UCE<0，J3反偏，此时IGBT反向阻断。此时IGBT导通性能受其内部二极管特性影响。

(5)闩锁:在特殊条件下，C极与E极之间的晶闸管导通，这种现象叫做闩锁。闩锁电流对器件的电流增益有一定的影响。

清楚了单管IGBT仿真模型电路中每个基础元器件在IGBT中所扮演的角色，就可以通过调节仿真模型中元器件的数值和结构来改变IGBT模块的一些特性。

2 IGBT功率损耗

IGBT的功率损耗包括开关损耗和导通损耗2个部分(如图4所示)，其中在器件开关频率很高的情况下，导通损耗的数值要远远小于开关损耗[8]:

图4 IGBT开关过程示意图

PI=PIC+PIS

(1)

式中：PI为IGBT在一个开关周期的平均功率损耗；PIC为IGBT在开关周期内的平均导通损耗；PIS为IGBT在开关周期内的平均开关损耗。

PIC相较PIS小很多，尤其在器件开关频率很高情况下。

开关损耗包括[10-12]：开通损耗和关断损耗，损耗产生的主要原因在于通过集电极的电流IC和集射极之间电压UCE共同作用的结果。

对于开关损耗的理论计算模型为：

开通损耗：

(2)

关断损耗：

(3)

式中：Pon为开通损耗功率；Poff为关断损耗功率；ton为开通时间；toff为关断时间；IC为集电极电流；U为集射极电压。

IGBT导通器件有效电压以及有效电流均不为0，因此会存在功率损耗[13-14]。

导通损耗：

Pcond_IGBT=UceIC

(4)

Pcond_FWD=VFIF

(5)

式中：Pcond_IGBT为IGBT的导通损耗功率；Pcond_FWD为FWD(反向并联二极管)的导通损耗功率；Uce为IBGT在大电流下的饱和压降；VF为二极管在大电流下的导通压降；IC、IF为器件导通时的有效电流。

3 IGBT的PSpice仿真

通过FF300R07KE4工业IGBT模块的说明文档可找到IGBT元件的基本电路示意图，如图5所示。

图5 FF300R07KE4 IGBT模块

此IGBT模块拥有2个IGBT核心，属于双管IGBT结构。这是一款在大型高功率用电设备中常使用的元件。

在PSpice绘图面板中的静态模型电路图如图6所示。

图6 PSpice静态特性模型

模型中各部分组成：

(1) MOSFET模型和GTR模型：选择同种沟道的MOSFET模型作为电路驱动，MOSFET模型多用于小尺寸MOS器件，根据待仿真的IGBT具体性能选择仿真元件参数；GTR模型采用双极结型晶体管，该模型是正向和反向晶体管叠加。

(2) 电流控制电压源：当IGBT导通时，N+区向N-区注入大量空穴。N-区电子浓度的增加，使得N-区电子与空穴浓度平衡，提高漂移区导电能力，使得导通状态下IGBT的压降很低。模拟IGBT的电导调制效应，所以设置一个电流控制电压源H元件，通过电导调制确定互阻数值，并利用集电极电流作为输入。

(3) Dad和Dbe：IGBT存在击穿特性，导致GTR模型无法被精确的反映，通过在IGBT静态仿真模型中加入Dad和Dbe2个二极管来体现GTR和MOSFET的击穿特性，同时可以增加通过MOSFET的电流。Dad可以体现MOSFET的D极与S极之间的击穿电压，Dbe则能够体现GTR的B-E极之间反向击穿电压。如果只关注IGBT的电流电压特性，那么去掉这2个二极管也不会有明显变化。

(4) 通过调节Re、Rg、Rc的数值对IGBT的启动电压进行改变。Rs是MOSFET的源极寄生电阻。

虽然已经建立了仿真模型，但是为了更好地仿真出IGBT的期望特性，需要重新配置PSpice平台GTR和MOSFET结构中的模型参数。IGBT静态特性的基本参数主要取决于GTR模型的参数，而且IGBT的开关时间也由GTR对应参数决定。针对图6建立的IGBT静态特性仿真模型，根据待仿真IGBT特性配置的GTR模型参数有:

(1) IGBT正向电流，受GTR的C极电流变化曲线影响；

(2) IGBT正向特性，受GTR结电压与其电流变化的曲线影响；

(3) IGBT的饱和电压，受GTR饱和电压UCE(sat)与其集电极电流的相关关系影响；

(4) GTR正向电流放大倍数，不要取到最大值；

(5) IGBT输出电导值,受到GTR输出导纳值影响；

(6) IGBT的存储时间、EB电容、CB电容选择默认值或较小值。

得到的IC-VC(E)输出图像如图7所示。

图7 IC-VC(E)输出曲线

此图像与IGBT模块说明书中IGBT核心的静态输出曲线能够比较好地对应，说明此IGBT的电路结构能够有比较好的静态特性拟合。

在PSpice的绘图面板中绘制IGBT的动态特性模型，如图8所示。

图8 PSpice动态特性仿真模型

得到的动态开关特性曲线IC-VC(E)如图9所示。

图9 动态开关特性曲线

针对图9进行关断损耗计算：

IC关断期间的拟合函数为：y=-25 000x+60 000；VC关断期间的拟合函数为：y=3 000x-6 600；关断时间0.2 μs。

通过上文关断损耗功率的计算公式对其进行积分计算，得到关断时刻功耗为100 mJ，其数值合理。

可以在这个模型基础上建立双核心IGBT的特性仿真电路图，如图10所示。

图10 双管IGBT模型仿真图形

得到波形如图11所示。对照FF300R07KE4型号IGBT的工作状态，此动态输出曲线合理。

图11 双管IGBT动态输出曲线

这个模型将能进行型号FF300R07KE4工业IGBT模块的一些动态上的特性仿真，在进行相关的电路设计上提供一些数据支持。对其进行各种动态开关特性计算(功率损耗计算)的方法同前文。

4 结束语

IGBT作为目前被广泛使用的高功率器件，一直受到工程师们的关注。尤其是IGBT种类型号丰富，拓扑结构多样，而目前电力电子仿真软件的元件库又比较匮乏，因此设计一个比较精准的工程可用的IGBT计算机模型可以帮助工程师节约开发资金以及降低开发周期，而且计算机仿真可以减少IGBT模块进行类似开关损耗这种对使用寿命有较大影响的试验。本文提供的PSpice软件平台的IGBT仿真模型能够较好地与相应型号IGBT模块的静态特性与动态特性曲线相对应，并且通过仿真得到的IGBT功率损耗也是合理数值。因此，可以使用此IGBT模型进行工程电路仿真，为工程中IGBT带来的功率损耗提出参考数值。