一种基于IGBT器件瞬态物理过程的分段折线模型

摘要

本发明公开了一种电力半导体器件IGBT在硬开关工作模式下瞬态物理过程的分段折线模型，其特征在于基于典型IGBT内部结构及其瞬态物理过程，在一定的简化假设条件下，用分段函数描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种基于IGBT器件瞬态物理过程的分段折线模型。

背景技术

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是目前电力电子装置中应用最广泛的主动开关器件，因此对IGBT的建模进行了大量研究。从器件应用者的角度，目前的IGBT模型主要分为两大类：机理模型和行为模型。机理模型主要是利用半导体物理学的知识，基于IGBT内部结构和载流子的运动过程来建立的，可以准确地仿真IGBT的稳态和瞬态特性。经典的机理模型有Hefner模型，Kuang Sheng模型和Kraus模型等等。机理模型虽然精确，但结构复杂，参数提取困难，计算量大不易收敛，不适用于复杂的电路仿真。行为模型忽略一些IGBT内部物理机理，更注重拟合器件的外特性，可以用于电路仿真，比理想开关模型的仿真得到的结果更精确。相比于机理模型，行为模型结构简单，但准确性不高，对不同工况的适应性较差。行为模型参数提取方法复杂，需要从实验结果中提取参数。

发明内容

针对常规IGBT行为模型瞬态特性不够精确，且模型参数提取依赖实验结果的问题，本发明提出一种适用于电路仿真的IGBT在硬开关工作模式下的分段折线模型。其特征在于，基于典型IGBT内部结构(平面栅NPT型)及其瞬态物理过程，在一定的简化假设条件下，用分段函数描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c，和栅极电压v_ge。模型能够反映器件关键的瞬态特性，并且模型的所有参数可全部从datasheet获取。所述的用于描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c和栅极电压v_ge的分段函数通过以下步骤来确定：

1)确定IGBT开通和关断瞬态过程的各个阶段。

从驱动发出开通指令到开通稳态之前，将开通瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从驱动发出开通指令到i_c开始上升，第二阶段为i_c从0上升到最大值，第三阶段为i_c从最大值恢复到负载电流，第四阶段为结束时v_ce下降到稳态饱和电压。

从驱动发出关断指令到关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从驱动发出关断指令到v_ce开始上升，第二阶段为v_ce从稳态饱和电压上升到直流母线电压值，第三阶段为i_c从负载电流下降到拖尾电流起始值，第四阶段为结束时i_c下降到0。

2)根据IGBT瞬态物理过程和一定的简化假设条件，计算上述四个阶段中集射极电压v_ce、集电极电流i_c和栅极电压v_ge的起始值和终止值，以及各个阶段的持续时间，据此将各阶段内的电压电流确定为线性函数形式或指数函数形式。

本发明还提供一种IGBT分段折线模型在仿真电路中的应用方法，其特征在于，使用IGBT的折线模型描述整个换流回路的特性，不需要对与IGBT换流的续流二极管进行建模，包括以下步骤：

1)将换流回路中的IGBT、续流二极管和杂散电感作为一个二端口，通过输出电流方向来确定输入输出端口的电压电流。输出电流流出桥臂时，输入端口电压为V_DC，输入电流为i_c，输出端口电流为负载电流I_L，输出电压为V_DC-v_ce；输出电流流入桥臂时，输入端口电压为V_DC，输入电流为i_c-I_L；输出端口电流为I_L，电压为v_ce。

2)根据以上所述的分段折线模型获取IGBT在开通关断各阶段中(v_ce，i_c)与(V_DC，I_L，sw)的关系，其中sw表示IGBT的开关信号。

3)将此二端口整体加入仿真电路进行计算。

本发明具有以下特点：

1、基于典型IGBT内部结构(平面栅NPT型)及其瞬态物理过程，在一定的简化假设条件下，用分段折线简洁地描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce和集电极电流i_c。

2、模型能够较准确地反映器件关键的瞬态特性，如延迟时间、电流上升时间、电流下降时间、电压尖峰、电流尖峰等等。

3、模型的所有参数可全部从datasheet获取。

4、模型应用于电路仿真实现方便，不需要对换流回路中的二极管续流二极管进行建模。

附图说明

图1是本发明的IGBT开通瞬态折线模型示意图。

图2是本发明的IGBT关断瞬态折线模型示意图。

图3是电流流出桥臂时IGBT分段折线模型实现方法示意图。

图4是电流流入桥臂时IGBT分段折线模型实现方法示意图。

图5是本发明的IGBT开通瞬态折线模型仿真结果与实验波形对比图。

图6是本发明的IGBT关断瞬态折线模型仿真结果与实验波形对比图。

具体实施方式

本发明提出一种适用于仿真电路的IGBT在硬开关工作模式下的分段折线模型。其特征在于，基于典型IGBT内部结构(平面栅NPT型)及其瞬态物理过程，在一定的简化假设条件下，用分段函数描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c和栅极电压v_ge。模型能够反映器件关键的瞬态特性，并且模型的所有参数可全部从datasheet获取。下面给出一个具体的实施例，用分段函数描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c和栅极电压v_ge，包括以下步骤：

1)确定IGBT开通和关断瞬态过程的各个阶段。

从驱动发出开通指令到开通稳态之前，将开通瞬态过程分为4个阶段：第一阶段[t₀-t₁]为从驱动发出开通指令到i_c开始上升，第二阶段[t₁-t₂]为i_c从0上升到最大值，第三阶段[t₂-t₃]为i_c从最大值恢复到负载电流，第四阶段[t₃-t₄]结束时v_ce下降到稳态饱和电压。[t₄-t₅]为开通稳态阶段。

从驱动发出关断指令到关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段[t₆-t₇]为从驱动发出关断指令到v_ce开始上升，第二阶段[t₇-t₈]为v_ce从稳态饱和电压上升到直流母线电压值，第三阶段[t₈-t₉]为i_c从负载电流下降到拖尾电流起始值，第四阶段[t₉-t₁₀]结束时i_c下降到0。[t₁₀-t₁₁]为关断稳态阶段。

2)对IGBT开通过程建立分段折线模型

定义IGBT开通过程中的直流母线电压为V_DC，负载电流为I_L。

IGBT开通瞬态各个阶段及折线模型如图1所示。

[t₀-t₁]：将IGBT驱动发出开通信号的时刻定义为t₀时刻，此时IGBT驱动从输出负压V_g(off)变为输出正压V_g(on)，通过IGBT栅极电阻R_gon向IGBT栅极电容C_ge充电。此阶段，IGBT栅极电压v_ge、集射极电压v_ce和集电极电流i_c的变化用以下公式表达：

v_ce(t)＝V_DC>

i_c(t)＝0(3)

其中V_g(off)和V_g(on)分别为驱动输出的关断电压和开通电压。R_gon为IGBT栅极开通电阻。C_ge为IGBT栅极电容。

将v_ge上升到栅极阈值V_T的时刻定义为t₁

上述参数均可以从IGBT器件和驱动电路的数据手册上获取。

[t₁-t₂]：t₁时刻，v_ge从阈值电压V_T继续上升，i_c上升到最大值I_cmax的时刻定义为t₂时刻。认为电流尖峰值I_cmax与I_L成比例关系：

其中I_N为IGBT额定电流，I_rr为额定电流下的二极管反向恢复电流。

此阶段，IGBT栅极电压v_ge线性上升到米勒电平V_ml，集电极电流i_c保持与额定条件下相同的斜率上升到最大值，集射极电压v_ce以固定的斜率下降：

i_c(t)＝i_c(t₁)+k_i2(t-t₁)>

v_ce(t)＝v_ce(t₁)+k_v2(t-t₁)>

v_ge(t)＝v_ge(t₁)+k_vg2(t-t₁)>

其中

其中t_r是IGBT的电流上升时间，t_rr是二极管反向恢复时间，V_ml为米勒电平，从IGBT的栅极电荷特性曲线中读取。L_s为杂散电感。

上述参数均由IGBT数据手册中给出。

该阶段时间长度：

[t₂-t₃]：t₂时刻以后电流从最大值开始下降，i_c在t₃时刻下降到负载电流I_L。此阶段，IGBT栅极电压v_ge不变，v_ce在t₃时刻之后，经过2t_rr下降到导通饱和压降V_CEsat，集电极电流i_c的变化率与前一阶段恰好相反的，用以下公式表达：

i_c(t)＝i_c(t₂)+k_i3(t-t₂)>

v_ce(t)＝v_ce(t₂)+k_v3(t-t₂)(14)

v_ge(t)＝V_ml>

其中

k_i3＝-k_i2(16)

其中V_CEsat为IGBT数据手册给出的对应集电极电流下的饱和压降，可通过输出特性曲线查表或线性拟合得到。

该阶段时间长度：

[t₃-t₄]：t₃时刻以后v_ce继续下降，t₄时刻下降到V_CEsat。此阶段，IGBT栅极电压v_ge、和集电极电流i_c保持不变，用以下公式表达：

i_c(t)＝I_L(19)

v_ce(t)＝v_ce(t₂)+k_v3(t-t₂)(20)

v_ge(t)＝V_ml>

该阶段时间长度：

t₄-t₃＝2t_rr>

[t₄-t₅]：t₄时刻，v_ge在RC充电电路作用下继续上升，集射极电压v_ce和集电极电流i_c保持不变：

i_c(t)＝I_L(24)

v_ce(t)＝V_CEsat>

其中电容C_ge+C_oxd的值为输入电容C_ies在v_ce等于饱和压降处的值，可以从IGBT数据手册中的电容曲线上得知。

此阶段为开通稳态阶段，持续到下一次关断时刻t₅。

对IGBT关断过程建立分段折线模型

IGBT关断瞬态各个阶段及折线模型如图2所示。

[t₆-t₇]：将IGBT驱动发出关断信号的时刻定义为t₆时刻，此时IGBT驱动从输出正压V_g(on)变为输出负压V_g(off)，通过IGBT栅极电容通过栅极电阻R_goff放电。此阶段，IGBT>ge、集射极电压v_ce和集电极电流i_c的变化用以下公式表达：

i_c(t)＝I_L(27)

v_ce(t)＝V_CEsat>

将v_ge下降到米勒电平V_ml的时刻定义为t₇，这一阶段的时间长度为：

[t₇-t₈]：t₇时刻以后，集射极电压v_ce开始上升，上升到直流母线电压V_DC定义为t₈时刻。

t₇-t₈阶段的时间长度等于：

此阶段，IGBT栅极电压v_ge、集射极电压v_ce和集电极电流i_c的变化用以下公式表达：

v_ge(t)＝V_ml(31)

i_c(t)＝I_L(32)

v_ce(t)＝v_ce(t₇)+k_v8(t-t₇)(33)

其中

[t₈-t₉]：t₈时刻以后i_c开始下降，下降到拖尾电流起始值I_tail的时刻定义为t₉时刻。拖尾电流起始值I_tail与负载电流I_L成比例关系：

I_tail＝0.2I_L>

此阶段，IGBT栅极电压v_ge、集电极电流i_c的变化用以下公式表达：

v_ge(t)＝v_ge(t₈)+k_vg9(t-t₈)(36)

i_c(t)＝i_c(t₈)+k_i9(t-t₈)>

其中

其中t_f是IGBT的电流下降时间，由IGBT数据手册中给出。

t₈-t₉阶段的时间长度等于：

此阶段，IGBT集射极电压v_ce近似为一个等腰三角形，定义t₈’时刻为

t₈'＝t₈+t_f/1.6(41)

v_ce可用以下公式表示：

其中

其中电压最大值V_cemax由杂散电感引起，近似为：

[t₉-t₁₀]：t₉时刻，v_ge下降到V_T。将t₁₀时刻定义为拖尾电流下降到0的时刻。栅极电容通过栅极电阻R_goff向驱动放电。

t₉-t₁₀阶段的时间长度等于：

t₁₀-t₉＝10t_f>

此阶段，IGBT栅极电压v_ge、集射极电压v_ce和集电极电流i_c的变化用以下公式表达：

v_ce(t)＝V_DC>

i_c(t)＝i_c(t₉)+k_i10(t-t₉)>

其中

[t₁₀-t₁₁]：t₁₀时刻，IGBT栅极电压v_ge、集射极电压v_ce和集电极电流i_c的变化用以下公式表达：

v_ce(t)＝V_DC>

i_c(t)＝i_c(t₉)+k_i10(t-t₉)(52)

此阶段为关断稳态阶段，持续到下一次开通时刻t₁₁。

本发明还提供一种IGBT分段折线模型在仿真电路中的应用方法，其特征在于，使用IGBT的折线模型描述整个换流回路的特性，不需要对与IGBT换流的续流二极管进行建模，包括以下步骤：

1将换流回路中的IGBT、续流二极管和杂散电感作为一个二端口，通过输出电流方向来确定输入输出端口的电压电流。输出电流流出桥臂时，如图3所示，输入端口电压为V_DC，输入电流为i_c，输出端口电流为负载电流I_L，输出电压为V_DC-v_ce；输出电流流入桥臂时，如图4所示，输入端口电压为V_DC，输入电流为i_c-I_L；输出端口电流为I_L，电压为v_ce。

2根据上述分段折线模型获取IGBT在开通关断各阶段中(v_ce，i_c)与(V_DC，I_L，sw)的关系。其中sw表示IGBT的开关信号。

3将此二端口整体加入仿真电路进行计算。

实施例1

应用本发明的分段折线模型和应用方法，对实际的6500V/600A的IGBTFZ600R65KF1建立折线模型并在双脉冲电路中应用，图5是本发明实施例1IGBT开通瞬态折线模型仿真结果与实验波形对比图，图6是IGBT关断瞬态折线模型仿真结果与实验波形对比图。从图中可以看出，本发明的分段折线模型能够应用于电路仿真，能够较准确地反映器件瞬态过程中的主要特征，如延迟时间、电流上升时间、电流下降时间、电压尖峰、电流尖峰等等。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。