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(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌　443002)

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用于IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真的損耗模型優(yōu)化

劉任唐波孫睿吳卓江浩田

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌443002)

摘要：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真分析的關(guān)鍵問題是損耗模型的準(zhǔn)確建立．本文減少通態(tài)損耗模型線性近似處理次數(shù)，并根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊擬合獲取驅(qū)動(dòng)電壓對損耗的影響函數(shù)，從而對現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)手冊的損耗模型進(jìn)行優(yōu)化．在通態(tài)損耗模型中，將最大、最小典型溫度下的損耗用電流的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，利用線性插值的方法得到任意溫度下的通態(tài)損耗，并考慮了驅(qū)動(dòng)電壓的影響．提出的損耗模型相比于現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)手冊的損耗模型，精度平均提高了9.21%，且使用工況更為廣泛．

關(guān)鍵詞：IGBT模塊；動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真；損耗模型；線性插值；多項(xiàng)式擬合

0引言

由于IGBT模塊的電學(xué)特性與熱學(xué)特性存在著較強(qiáng)的耦合關(guān)系，因此，作為能夠真實(shí)反映IGBT模塊工作特性的動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1]．IGBT模塊的動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真運(yùn)用到了損耗模型、傳熱模型和電網(wǎng)絡(luò)模型．其中，損耗模型是模塊電學(xué)特性與熱學(xué)特性聯(lián)接的樞紐，故該模型的準(zhǔn)確建立是IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真首先需要解決的關(guān)鍵問題[2]．

IGBT的損耗模型可以劃分為物理模型和行為模型兩大類．其中，物理模型建模過程較為復(fù)雜、參數(shù)提取比較困難，且系統(tǒng)級仿真時(shí)間冗長，導(dǎo)致其在IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱偶合仿真中的應(yīng)用受到了一定限制[3]．行為模型可以劃分為基于曲線擬合理論的損耗模型和基于數(shù)學(xué)方法的損耗模型．

基于曲線擬合理論的損耗模型就其方法本身，存在著開關(guān)波形擬合誤差，且未考慮溫度對損耗的影響，難以適用于IGBT模塊的動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真[4-5]．因此，國內(nèi)外的研究重點(diǎn)側(cè)重于基于數(shù)學(xué)方法的損耗模型．早期基于數(shù)學(xué)方法的損耗模型的損耗準(zhǔn)確計(jì)算需要大量實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，且未考慮驅(qū)動(dòng)電壓對損耗的影響[6-7]，因此，以文獻(xiàn)[8]為代表提出的利用模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的相關(guān)特性曲線建立損耗模型的方法，成為基于數(shù)學(xué)方法進(jìn)行損耗建模的主流．然而，現(xiàn)有模型在通態(tài)損耗建模中采用了多次線性近似處理，且未考慮驅(qū)動(dòng)電壓對損耗的影響，仍然不能實(shí)現(xiàn)損耗的準(zhǔn)確求解．本文從減少通態(tài)模型的線性近似處理次數(shù)，以及通過引入影響因子考慮驅(qū)動(dòng)電壓對損耗影響的角度出發(fā)，對現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)手冊的損耗模型進(jìn)行優(yōu)化，提高了損耗模型精度，且適用工況更廣泛．

1IGBT模塊動(dòng)態(tài)耦合仿真及現(xiàn)有損耗模型

1.1IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真計(jì)算流程

IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真計(jì)算流程如圖1所示．首先，模塊損耗模型接收來自傳熱模型的瞬時(shí)溫度，計(jì)算與溫度的相關(guān)參數(shù)(通態(tài)電阻、不考慮驅(qū)動(dòng)電壓的通態(tài)損耗、不考慮驅(qū)動(dòng)電阻及集射工作電壓的開關(guān)損耗)；接著電網(wǎng)絡(luò)模型利用這些參數(shù)中的電氣參數(shù)(通態(tài)電阻)，計(jì)算出IGBT模塊的電氣運(yùn)行參數(shù)(導(dǎo)通電流、導(dǎo)通壓降)；基于電氣運(yùn)行參數(shù)(導(dǎo)通電流、導(dǎo)通壓降、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電阻)、溫度相關(guān)損耗參數(shù)(不考慮驅(qū)動(dòng)電壓的通態(tài)損耗、不考慮驅(qū)動(dòng)電阻及導(dǎo)通壓降的開關(guān)損耗)，采用合理的損耗模型計(jì)算得到模塊的損耗，并將其傳遞給傳熱模型；傳熱模型將計(jì)算出的瞬時(shí)溫度再次傳遞給模塊損耗模型[4]．

圖1　IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真計(jì)算流程

如此循環(huán)往復(fù)，使損耗模型和傳熱模型通過損耗和溫度相互傳遞，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真，從而實(shí)時(shí)計(jì)算出IGBT模塊的損耗和溫度．

從圖1可以看出，在IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真計(jì)算中，損耗模型與傳熱模型、電網(wǎng)絡(luò)模型之間相互聯(lián)系緊密，其準(zhǔn)確性直接影響到模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真的精度．

1.2現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)手冊的損耗模型缺陷分析

IGBT模塊在硬開關(guān)狀態(tài)下的損耗分為IGBT損耗和續(xù)流二極管(FWD)損耗，其中IGBT損耗主要包括：通態(tài)損耗、開通損耗和關(guān)斷損耗；FWD損耗主要包括：通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗．

現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)手冊的IGBT通態(tài)損耗模型通常根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的VCE-IC輸出特性曲線，將通態(tài)壓降用集電極電流線性近似表示[9-12]，見公式(1)，該通態(tài)壓降表達(dá)式中的通態(tài)電阻RT、閥值電壓VCE0均與結(jié)溫TTj相關(guān)，將其用結(jié)溫線性近似表示，見公式(2)～(3)，而后把通態(tài)損耗表示成通態(tài)壓降、集電極電流和導(dǎo)通占空比乘積的形式，見公式(4)．因此，從公式(1)～(3)可以看出，通態(tài)損耗模型在構(gòu)建過程中進(jìn)行了3次線性近似處理，且未考慮驅(qū)動(dòng)電壓對通態(tài)損耗的影響，只適合某個(gè)特定驅(qū)動(dòng)電壓下的IGBT通態(tài)損耗計(jì)算．

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，RT_25和VT_25分別為IGBT在25℃下的通態(tài)電阻和閥值電壓；δT為導(dǎo)通占空比；kRT和kVCE0分別為導(dǎo)通電阻和閥值壓降的溫度系數(shù)．

FWD通態(tài)損耗建模類似IGBT通態(tài)損耗建模，也進(jìn)行了3次線性近似處理，只不過FWD不需要考慮驅(qū)動(dòng)電壓對通態(tài)損耗的影響．

2IGBT模塊損耗模型的改進(jìn)

針對于上述基于數(shù)據(jù)手冊的損耗模型存在的線性近似處理次數(shù)過多，以及未考慮驅(qū)動(dòng)電壓影響的問題，提出采用以下思想對該模型進(jìn)行優(yōu)化．1)轉(zhuǎn)換通態(tài)損耗的建模思路，減少IGBT、FWD通態(tài)損耗模型的線性近似處理次數(shù)，以此提高通態(tài)損耗模型的精度；2)在通態(tài)損耗模型中，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊擬合獲取驅(qū)動(dòng)電壓對損耗的影響函數(shù)．

2.1IGBT通態(tài)損耗的改進(jìn)

由于IGBT內(nèi)部通態(tài)電阻和PN結(jié)電位的影響，處于導(dǎo)通狀態(tài)下的IGBT會(huì)存在著一定的電壓降VCE，與集電極電流IC共同作用產(chǎn)生通態(tài)損耗PTcon．影響IGBT通態(tài)損耗的主要因素有集電極電流IC、結(jié)溫TTj和驅(qū)動(dòng)電壓VG[13-14]．

從減少IGBT通態(tài)損耗模型線性近似處理次數(shù)的角度出發(fā)，首先將IGBT模塊產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊提供的最小典型溫度TTmin和最大典型溫度TTmax下的IC-VCE輸出特性曲線，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的用3次函數(shù)多項(xiàng)式擬合的PTcon-IC特性曲線，如圖2所示，分別得到式(5)、(6)，式中系數(shù)可通過Matlab擬合工具箱擬合得到．

(5)

(6)

引入線性插值的方法，可得到任意溫度下的IGBT通態(tài)損耗，如圖3所示．

圖2　PTcon-IC曲線擬合

圖3　任意溫度下IGBT通態(tài)損耗的線性插值

為考慮驅(qū)動(dòng)電壓對IGBT通態(tài)損耗的影響，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的多個(gè)典型驅(qū)動(dòng)電壓下的IC-VCE輸出特性曲線，得到不同驅(qū)動(dòng)電壓下的通態(tài)損耗，并對其進(jìn)行擬合，獲取驅(qū)動(dòng)電壓對通態(tài)損耗的影響函數(shù)．綜合計(jì)算準(zhǔn)確性和復(fù)雜度，在IGBT通態(tài)損耗計(jì)算中引入影響因子VG/VGrated，如IGBT通態(tài)損耗表達(dá)式(7)所示．

綜上所述，IGBT通態(tài)損耗的表達(dá)式為

(7)

式中，VGrated為IGBT額定驅(qū)動(dòng)電壓；δT為IGBT導(dǎo)通占空比；線性插值系數(shù)aT和bT分別為

(8)

(9)

從上述推導(dǎo)中可以看出，改進(jìn)的通態(tài)損耗模型避免了傳統(tǒng)IGBT通態(tài)損耗模型中公式(1)～(3)的3次線性近似處理，只在考慮溫度對通態(tài)損耗的影響過程中進(jìn)行了1次線性近似處理，見公式(7)．

2.2FWD通態(tài)損耗

FWD為不可控器件，其通態(tài)損耗建模無需考慮驅(qū)動(dòng)電壓的影響．因此，影響FWD通態(tài)損耗的主要因素有工作電流IF、結(jié)溫TDj[13-14]，其他分析類似上述2.1節(jié)IGBT通態(tài)損耗分析．

FWD在最小典型溫度TDmin和最大典型溫度TDmax下的通態(tài)損耗PDcon與工作電流IF的函數(shù)擬合關(guān)系式分別如式(10)、(11)所示，式中系數(shù)可通過Matlab擬合工具箱擬合得到．

(10)

(11)

接著采用線性插值的方法得到任意溫度下的FWD通態(tài)損耗，表達(dá)式為

(12)

式中，δD為FWD導(dǎo)通占空比；線性插值系數(shù)aD和bD分別為

(13)

(14)

3算例驗(yàn)證及誤差分析

3.1算例驗(yàn)證

以兩電平三相橋式SPWM逆變器為實(shí)例，進(jìn)行IGBT模塊的損耗分析計(jì)算，其結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)測試電路分別如圖4～5所示．

圖4　兩電平三相橋式SPWM逆變器電路結(jié)構(gòu)

圖5　兩電平三相橋式SPWM逆變器實(shí)驗(yàn)電路

參數(shù)數(shù)值輸入直流電壓/V500功率因數(shù)0.85開關(guān)頻率/Hz2500輸出頻率/Hz50分散電感/nH78環(huán)境溫度/℃25IGBT模塊型號(hào)2MBI75S-120

由于逆變器結(jié)構(gòu)上的對稱性，各相IGBT與FWD的電壓、電流波形僅存在相位上的差異，因此只需對1個(gè)IGBT模塊進(jìn)行損耗分析，其他IGBT模塊分析類似．在Matlab/Simulink中建立IGBT模塊的電網(wǎng)絡(luò)模型、損耗模型和等效Foster傳熱網(wǎng)絡(luò)模型，對其進(jìn)行電熱耦合仿真，實(shí)時(shí)計(jì)算出IGBT模塊的損耗．

IGBT和FWD在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的導(dǎo)通占空比可分別表示為[15]：

(15)

(16)

式中，ω為角頻率；φ為交流電壓與電流基波分量之間的夾角；m為調(diào)制度．

IGBT模塊損耗模型的參數(shù)見表2，等效Foster傳熱網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)見表3[12]．

表2　2MBI75S-120型IGBT模塊損耗模型參數(shù)

表3　2MBI75S-120型IGBT模塊等效Foster傳熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

將損耗實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果、改進(jìn)的損耗模型計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)有損耗模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6所示．

圖6　損耗結(jié)果對比

從圖6的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算得出，改進(jìn)的損耗模型的平均精度為89.19%，而現(xiàn)有損耗模型的平均精度為79.98%，精度平均提高了9.21%．

IGBT模塊中的IGBT、FWD結(jié)溫的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的對比分別如圖7～8所示．

圖7　IGBT結(jié)溫結(jié)果對比

圖8　FWD結(jié)溫結(jié)果對比

從圖7中可以得出，用改進(jìn)的損耗模型計(jì)算出來的IGBT結(jié)溫平均精度為88.57%，而用現(xiàn)有損耗模型計(jì)算出來的IGBT結(jié)溫平均精度為79.64%，IGBT結(jié)溫計(jì)算精度平均提高了8.93%；從圖8可以得出，用改進(jìn)的損耗模型計(jì)算出來的FWD結(jié)溫平均精度為88.15%，而用現(xiàn)有損耗模型計(jì)算出來的FWD結(jié)溫平均精度為79.26%，F(xiàn)WD結(jié)溫計(jì)算精度平均提高了8.86%．

3.2誤差分析

相比于現(xiàn)有基于數(shù)據(jù)手冊的IGBT模塊通態(tài)損耗模型，改進(jìn)的IGBT模塊通態(tài)損耗模型總共少了4次線性近似處理(IGBT、FWD各少2次)，使損耗仿真計(jì)算精度提高了9.21%，同時(shí)加入擬合公式考慮了驅(qū)動(dòng)電壓對IGBT通態(tài)損耗的影響．該改進(jìn)的損耗模型用于IGBT模塊動(dòng)態(tài)電熱耦合仿真時(shí)，由于損耗計(jì)算的精度有了較大提升，IGBT和FWD結(jié)溫的計(jì)算精度平均分別提高了8.93%和8.86%．

從圖6～8的損耗結(jié)果對比可以看出，改進(jìn)的損耗模型和現(xiàn)有損耗模型的計(jì)算結(jié)果均低于實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，這是由于在建模過程均未考慮到IGBT模塊中熱源之間的熱耦合作用等原因造成的．

4結(jié)論

1)基于減少通態(tài)損耗模型線性近似處理次數(shù)的思想，轉(zhuǎn)換建模思路，使改進(jìn)的損耗模型相比于現(xiàn)有損耗模型，少了4次線性近似處理，精度平均提高了9.21%．

2)改進(jìn)的損耗模型相比于現(xiàn)有損耗模型，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊擬合獲取驅(qū)動(dòng)電壓對損耗的影響因子，考慮了驅(qū)動(dòng)電壓對IGBT通態(tài)損耗的影響，適用于不同驅(qū)動(dòng)電壓工況下的IGBT模塊損耗求解．

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[責(zé)任編輯張莉]

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.03.015

收稿日期：2016-02-01

基金項(xiàng)目：新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(LAPS14016)；2015年三峽大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金(2015CX061)

通信作者：劉任(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檩斪冸娤到y(tǒng)電磁環(huán)境．E-mail：505129963@qq.com

中圖分類號(hào)：TM464：TM411：TN303

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)03-0064-05

Loss Model Optimization for Dynamic Electro-thermal Simulation of IGBT Module

Liu RenTang BoSun RuiWu ZhuoJiang Haotian

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

AbstractThe key problem of the simulation analysis of dynamic electro-thermal coupling simulation of insulated gate bipolar transistor (IGBT) module is the accurate establishment of loss model. The existing loss model based on datasheet is optimized from reducing the linear approximation of the state loss model and obtaining the influence function of driving voltage on loss according to the product datasheet. In the conduction loss model, the loss at maximum and minimum typical temperature are fitted by the polynomial of current, then the conduction state loss at any temperature is obtained by using the linear interpolation method; and the influence of the driving voltage is considered. Compared to the existing loss model based on datasheet, the proposed model has a higher accuracy of 9.21%; and the use of the operating conditions is more extensive.

KeywordsIGBT module;dynamic electro-thermal simulation;loss model;linear interpolation;polynomial fitting