用于電磁干擾仿真分析的igbt模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于電磁干擾計算機(jī)仿真的IGBT模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor,IGBT)廣泛應(yīng)用于電 力電子設(shè)備和系統(tǒng)中。在提高功率密度的同時，其開關(guān)狀態(tài)工作時產(chǎn)生的巨大的電壓變化 率（dv/化）和電流變化率（di/化），也帶來了非常顯著的寬帶電磁干擾巧lectro-Magnetic Interference,EMI)。為了在電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計階段就能夠?qū)ζ渌褂玫腎GBT的 EMI水平進(jìn)行評估和預(yù)測，需要進(jìn)行計算機(jī)仿真分析。運就對IGBT模型在EMI方面的計算 精度提出了要求。
[0003]IGBT模型可W分為兩大類，物理模型和行為模型。物理模型根據(jù)IGBT基本結(jié)構(gòu)、 載流子分布變化原理，利用半導(dǎo)體物理方程求解載流子變化表達(dá)式，實現(xiàn)對IGBT電氣特性 的建模，其特征是W物理機(jī)理方程為建?；A(chǔ)。行為模型在建模時，將IGBT視為"黑箱"， 通過測試器件外部特性，總結(jié)出經(jīng)驗關(guān)系式、數(shù)據(jù)庫或是等效電路。行為模型不關(guān)屯、其內(nèi)部 物理機(jī)理，其特點是方程由器件外特性曲線擬合而成，并非由器件物理機(jī)理嚴(yán)格推導(dǎo)得到。 運兩類方法在EMI預(yù)測上都有應(yīng)用。物理模型方法精確性更高，但一方面，建模需要了解器 件內(nèi)部參數(shù)，不同廠家能夠提供的參數(shù)不同，且均有部分參數(shù)無法通過公開資料獲得；另一 方面，物理模型的應(yīng)用需要EMI分析人員對半導(dǎo)體物理學(xué)有較深入的了解，大大提高了物 理模型使用的難度。所W物理模型建模方法實用性較差。行為模型更適合用于EMI仿真分 析，但目前采用的用于EMI仿真的IGBT行為模型沒有包含IGBT內(nèi)部的反并聯(lián)二極管，運影 響了仿真精度，特別是IGBT集電極電流的仿真精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有IGBT模型用于EMI仿真分析時的缺點，提出一種用于電力 電子設(shè)備和系統(tǒng)EMI仿真預(yù)測的IGBT行為模型。
[0005] 本發(fā)明所述模型包含兩個相互并聯(lián)的部分JGBT正向?qū)ú糠趾头床⒙?lián)二極管 部分。IGBT正向?qū)ú糠职膫€相互并聯(lián)的支路，反并聯(lián)二極管部分包含Ξ個相互并聯(lián) 的支路，其中，二者共同包含一個由電阻3。35和電容C35串聯(lián)構(gòu)成的支路，該支路和IGBT正 向?qū)ú糠趾头床⒙?lián)二極管部分并聯(lián)。該電阻氏35和電容Cse串聯(lián)構(gòu)成的支路由IGBT正 向?qū)ú糠帜Ｐ偷牡谒闹泛头床⒙?lián)二極管部分模型的第Ξ支路合并構(gòu)成，該支路和IGBT 正向?qū)ú糠趾头床⒙?lián)二極管部分并聯(lián)，電路結(jié)構(gòu)仍為電阻電容串聯(lián)形式。該支路的元件 值通過W下方法計算得到一一電阻氏35的值等于IGBT正向?qū)ú糠值谒闹返谝蛔枘犭?阻氏3和反并聯(lián)二極管部分第Ξ支路第二阻尼電阻R的平均值，電容C35的值等于IGBT正 向?qū)ú糠值谒闹返讦刃щ娙軨3和反并聯(lián)二極管部分第Ξ支路第五等效電容C5的平 均值。
[0006] 所述IGBT正向?qū)ú糠值哪Ｐ桶╓下元件：表示IGBT正向?qū)?、反向截止特?的第一理想二極管的，表示IGBT關(guān)斷過程中電壓上升速率及振蕩頻率的集電極-發(fā)射極等 效電容(：1八2八3，表示1681'關(guān)斷過程中電壓振蕩衰減速率的第一阻尼電阻氏3，在1681'關(guān)斷 過程中切換IGBT集電極-發(fā)射極等效電容的理想開關(guān)Sti和S。2。
[0007] 所述IGBT正向?qū)ú糠帜Ｐ涂砂ū硎綢GBT導(dǎo)通損耗的電阻馬，也可不包括該 元件。
[0008] 所述IGBT正向?qū)ú糠值哪Ｐ桶膫€相互并聯(lián)的支路，第一理想二極管的與 電阻馬串聯(lián)構(gòu)成第一支路，其中第一理想二極管Dy的陽極與IGBT的集電極相連，電阻Ry的 另一端與IGBT的發(fā)射極相連；第一等效電容。與第一理想開關(guān)S。1串聯(lián)構(gòu)成第二支路；第 二等效電容C2與第二理想開關(guān)S。2串聯(lián)構(gòu)成第Ξ支路；第Ξ等效電容C3與第一阻尼電阻Re3 串聯(lián)構(gòu)成第四支路。
[0009] 所述IGBT正向?qū)ú糠帜Ｐ偷睦硐腴_關(guān)的閉合、斷開狀態(tài)為：在IGBT開通瞬態(tài)過 程和導(dǎo)通過程中，第一理想開關(guān)5。1、第二理想開關(guān)St2均處于閉合狀態(tài)。在IGBT關(guān)斷瞬態(tài) 過程中，將其按照時間順序分成Ξ段：電壓上升段、電壓過沖段、電壓振蕩段，在電壓上升段 中，各個開關(guān)均處于閉合狀態(tài)；電壓過沖段中第一理想開關(guān)Sti處于斷開狀態(tài)，第二理想開 關(guān)St2處于閉合狀態(tài)；電壓振蕩段中，第一理想開關(guān)S。1，第二理想開關(guān)St2均處于斷開狀態(tài)。
[0010] 所述反并聯(lián)二極管部分的模型包括W下元件：表示反并聯(lián)二極管正向?qū)?、反?截止特性的第二理想二極管Dd，表示二極管反向恢復(fù)特性的第一等效電容C4和第二等效電 容Cs，表示二極管反向恢復(fù)電流振蕩衰減速率的第二阻尼電阻Rte，在IGBT開通過程中切換 反并聯(lián)二極管等效電容的第Ξ理想開關(guān)5。3。
[0011] 所述反并聯(lián)二極管部分的模型包含Ξ個相互并聯(lián)的支路，第二理想二極管Dd構(gòu)成 第一支路，第四等效電容C4與第Ξ理想開關(guān)S。1串聯(lián)構(gòu)成第二支路，第五等效電容Cs與第二 阻尼電阻氏5串聯(lián)構(gòu)成第Ξ支路。
[0012] 所述第一理想二極管Dv和第二理想二極管Dd陽極、陰極方向相反。第二理想二極 管Dd的陰極連接至IGBT的集電極，第二理想二極管Dd的陽極連接至IGBT的發(fā)射極。
[0013] 所述反并聯(lián)二極管部分模型的理想開關(guān)的閉合、斷開狀態(tài)為：在反并聯(lián)二極管開 通瞬態(tài)和反并聯(lián)二極管穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通過程中，第Ξ理想開關(guān)St3處于閉合狀態(tài)；在反并聯(lián)二極管 由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止的關(guān)斷瞬態(tài)中，針對母線電流將該過程按時間順序分為兩段，母 線電流上升段、母線電流振蕩段，在母線電流上升段中，第Ξ理想開關(guān)St3處于閉合狀態(tài)，母 線電流振蕩段中，第Ξ理想開關(guān)St3處于斷開狀態(tài)；在反并聯(lián)二極管處于關(guān)斷狀態(tài)時，第Ξ 理想開關(guān)St3處于斷開狀態(tài)。所述母線電流是串聯(lián)有IGBT的直流母線的電流。
[0014] 本發(fā)明所述模型的元件參數(shù)抽取包括Ξ個主要步驟JGBT正向?qū)ú糠帜Ｐ偷?參數(shù)抽取，反并聯(lián)二極管模型的參數(shù)抽取，W及兩部分參數(shù)的合并。具體描述如下：
[0015] 1、所述IGBT正向?qū)ú糠帜Ｐ偷脑?shù)通過連接電阻性負(fù)載的IGBT單脈沖實 驗抽取。
[0016] 所述IGBT單脈沖實驗電路包含：可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、電阻性負(fù)載、待建模IGBT、 IGBT驅(qū)動電路、電壓電流測量裝置。所述電壓電流測量裝置包含示波器、電壓探頭、電流探 頭等。
[0017]所述待建模IGBT與電阻性負(fù)載串聯(lián)，由可調(diào)直流穩(wěn)壓電源供電，所述電壓電流測 量裝置測量待建模IGBT的集電極-發(fā)射極電壓和集電極電流。
[001引所述連接電阻性負(fù)載的IGBT單脈沖實驗中需記錄的電氣量包括：待建模IGBT關(guān) 斷的集電極-發(fā)射極電壓波形V。。和電流波形it，IGBT關(guān)斷前、穩(wěn)定導(dǎo)通時的集電極電流I。。
[0019] 所述IGBT正向?qū)ú糠帜Ｐ偷膮?shù)抽取具體方法為：
[0020] (1)抽取集電極-發(fā)射極等效電容基參數(shù)：
[0021] 將可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓設(shè)定為待建模IGBT最大安全工作電壓；通過IGBT 驅(qū)動電路向IGBT口極注入驅(qū)動信號，使之開通關(guān)斷一次，由電壓電流測量儀器記錄IGBT關(guān) 斷瞬態(tài)過程中的集電極-發(fā)射極電壓波形V。。和電流波形i。，W及IGBT關(guān)斷前、穩(wěn)定導(dǎo)通 時的集電極電流I。。。,;根據(jù)電壓上升段的波形，計算該段對應(yīng)的集電極-發(fā)射極等效電容基 Cce_base，該參數(shù)與電流波形i。、電壓波形Vee、IGBT轉(zhuǎn)移導(dǎo)納Gm、IGBT口極電壓闊值Vth相關(guān)，
[0022]
(1)
[0023] 其中，t。是所述電壓上升段的起始時刻，t1是所述電壓上升段的終止時刻，V。。。是 t擁刻的集電極-發(fā)射極電壓，V。61是t擁刻的集電極-發(fā)射極電壓。
[0024] (2)計算待進(jìn)行EMI預(yù)測的工況下的IGBT集電極-發(fā)射極等效電容：
[00巧]調(diào)整可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，使之等于待進(jìn)行EMI預(yù)測的工況的母線電 壓，通過IGBT驅(qū)動電路向