用于转换器和驱动器设计的IGBT功率器件建模

主要收获

• • 当IGBT模型包含开关损耗、二极管恢复、栅极时序以及影响过冲和振铃现象的寄生参数时，该模型在设计中便具有实用价值。

  • 模型保真度应与需要解答的问题相匹配，从平均值控制研究到切换损耗检查，再到电热裕度分析。

  • 只有在将模型与测得的开关波形进行对比之后，阻尼器的选型、转换器损耗的估算以及电机驱动器的应力校验结果才值得信赖。

准确的IGBT模型将转换器设计从理想的开关数学模型转化为对损耗、电压应力及阻尼器占空比的清晰呈现。

这种转变之所以重要，是因为功率级在开关沿处发生故障的频率，远高于你在开头绘制的平均原理图中所显示的情况。电动机系统占全球电力消耗的近 50%，因此，在转换器损耗和应力假设中的微小误差，在庞大的已安装基数上会转化为发热、体积增大和效率损失。当模型包含导通压降、开关能量、二极管恢复以及封装和汇流排周围的寄生参数时，您将获得更优的设计方案。正是从这一刻起，仿真不再仅仅是电路布线检查，而是开始指导硬件选型。

理想的开关模型忽略了那些影响设计的关键因素

一个理想的开关模型只会解答与拓扑结构和控制相关的问题。它不会告诉你器件在导通期间消耗多少能量、集电极-发射极电压会过冲到多高，也不会说明自由轮换二极管是如何恢复的。这些效应决定了温升、阻尼器尺寸以及器件裕度。

当使用理想器件时，为感性负载供电的 600 V 半桥电路可能表现得非常干净。但一旦加入有限的尾电流、二极管反向恢复电流以及 20 nH 的换流电感，同一支路在每个边沿都会出现电压尖峰和额外的功耗。这会影响散热器的选型和安全工作裕度，同时也改变了哪些脉宽调制模式被视为可接受。

“并非每项研究都需要了解半导体物理学的每一个细节。”

确实需要足够多的非理想行为，才能使应力分析结果真实可靠。这通常始于有限的导通电压、有限的开关时间、反并联二极管行为以及环路周围的寄生元件。一旦这些因素存在，你才真正开始研究你计划建造的转换器。

根据研究目标选择IGBT模型

合适的IGBT模型是指能够针对您当前的问题，给出可信的应力与损耗结果的模型。平均值模型适用于控制调谐和功率流分析。开关模型适用于栅极时序、损耗估算以及缓冲电路的工作分析。详细的电热模型则适用于在电流、电压和温度极限附近进行裕度检查。

前端整流器研究通常不需要纳秒级栅极电流的详细数据，而双脉冲测试模型则始终需要。正是这种差异导致许多项目耗费了大量时间，因为团队要么在早期模型中过度设计，要么在器件选型时仅依赖简单的模型。这一检查点可确保模型范围与设计问题保持一致。

SPS SOFTWARE 非常适合这种工作流程，因为您可以从可编辑的开关设备模型开始，并在设计需求要求时提高仿真精度。您不会被限制在封闭的黑盒子中，因此可以检查有关二极管恢复、寄生电感和温度的假设。当波形看起来有问题时，这种透明性有助于判断问题是源于物理原理还是设置问题。它还能确保教学与工程应用保持一致。

用与硬件时序相匹配的时序表示门控制

门极控制的建模必须采用与硬件相同的延迟、电阻和电压限制。死区时间、导通和关断电阻、米勒平台效应以及驱动器传播延迟都会影响电流重叠和二极管恢复。如果这些参数是通用值，则开关波形也会是通用的。

高侧路径中导通延迟额外增加 200 ns 的相位支路，其分流方式不会像理想脉冲宽度调制模块所暗示的那样。低侧二极管可以保持导通更长时间，随后在上侧 IGBT 导通时恢复过程会更加剧烈。这就是为什么采用独立源极和漏极栅极电阻的模型，比单一上升时间参数更能准确反映实际情况。 由此可见，较小的关断电阻虽然能削减尾电流，却会增加过冲。

死区时间同样需要仔细处理。死区时间过短会引发交叉导通，而死区时间过长则会将损耗转移到二极管上，并在轻载时导致电流失真。栅极时序不仅仅是一个控制细节，它也是器件模型的一部分，因为它决定了器件如何进入各个状态。

在调整开关行为之前，先捕获寄生电感

寄生电感决定了当电流从一条换向路径切换到另一条时，开关沿会表现得多么剧烈。如果你在对该电感进行建模之前就调整栅极电阻或在电路中添加阻尼器，那么你的调整将针对错误的根源。结果就是：原理图看起来很干净，但原型机却充满噪声。

在判断振铃或过冲之前，一个实用的开关模型应包含这些寄生参数。

• 电容器与半桥之间的直流耦合回路电感
• 反馈到栅极环路的发射极感测电感
• IGBT及其反并联二极管的封装引线电感
• 该母线电阻可抑制部分高频振铃现象
• 每次换相事件期间观察到的负载侧电缆电容

一个30 kW的逆变器支路说明了这一点的重要性。将直流耦合从理想电压源改为具有环路电感和等效串联电阻的电容器后，关断时集电极-发射极峰值电压可能会上升数十伏。这一额外的峰值会影响阻尼器的选型，还可能改变栅极电阻的选择。此时，你调谐的已不再是一个抽象的开关。

利用温度范围内的能量表模拟开关损耗

开关损耗建模应采用按电流、电压、栅极电阻和结温分类的导通和关断能量数据表。导通损耗应采用导通状态电压或电流与温度的等效曲线。这两部分将为您提供一个可信的、初步的转换器损耗图。

在脉冲宽度调制（PWM）转换器中，1200 V器件极少会在数据手册中指定的测试点处精确开关。如果数据中列出了600 V、300 A和125 °C条件下的导通和关断能量，您的模型应基于该数据范围进行缩放或插值，而不是假设每次过渡都采用一个固定值。 随后，结温会反作用于下一个工作点，因为温度更高的硅材料在开关和导电行为上有所不同。这一反馈循环揭示了散热裕度和过载极限。

在初步尺寸设计阶段，简单的重叠公式仍然有用，但它们忽略了二极管反向恢复、尾电流波形以及温度效应。一种将导通压降与能量表相结合的损耗模型更为准确，且运行效率依然很高。一旦每个脉冲的能量看起来合理，就可以在开关电气模型上方放置一个平均热块。这种方法使损耗估计与实际换相事件紧密关联。

使用阻尼网络来控制电压过冲

阻尼网络用于控制寄生效应产生的电压和电流尖峰，其参数必须根据实际预期的波形来确定。一个能在某个负载点消除过冲的阻尼网络，在另一个负载点可能会造成显著的功耗。良好的设计应在钳位作用、阻尼和电阻发热之间取得平衡。

当主要问题是环路电感与寄生电容引起的高频振铃时，半桥开关上并联的RC阻尼电路效果良好。而当关断过冲需要通过明确路径导入储能电容和电阻时，RCD钳位电路则更为适用。每种选择都会将应力转移到其他地方。峰值电压的降低通常伴随着更大的阻尼损耗、额外的元器件以及电阻的更高发热负荷。

首先设定模拟的振铃频率和峰值电压，然后调整电容值以减缓寄生元件所感知到的上升沿，并调整电阻值以抑制振荡。双脉冲设置能使这一过程清晰可见，因为在扫描元件参数值时，负载电流始终处于受控状态。当阻尼器设计与换相环路模型相结合时，它才能发挥作用；而如果将其视为在布局方案确定后附加的补丁，则会失效。

将同一模型应用于电机驱动逆变器

电机驱动逆变器的研究不仅需要与变流器研究相同的IGBT开关模型，还需考虑电机、电缆以及调制等细节因素——这些因素会将器件推向不同的工作工况。电机驱动系统消耗了美国制造业总用电量的50%以上，因此无论是在车队规模还是台架试验规模下，损耗和应力误差都至关重要。

较长的电机电缆会在脉宽调制（PWM）的上升沿和下降沿期间产生电压反射、增加共模电流，并改变二极管恢复电压。低速高扭矩运行会带来额外的复杂性，因为当电气频率下降时，相电流仍保持较高水平。这种工作状态会导致器件承受热负荷，即使电机感觉运转缓慢也是如此。将逆变器与电机及电缆耦合在一起的模型将清晰地显示出这种不匹配现象。

电机驱动还揭示了平均损耗数据如何掩盖局部应力。再生制动、阶跃负载变化和弱磁运行都会使设备经历不同的电流和电压组合。您需要采用与变流器研究中相同的损耗表、栅极时序和寄生网络。唯一的区别在于，现在的负载模型足够详细，能够模拟应用场景中逆变器实际的工作状态。

尽早将模拟的开关波形与台架测量结果进行验证

“一个可以质疑、调整和验证的模型，能确保你的阻尼器、散热和器件裕度都基于相同的证据。”

验证是指在相信该模型关于阻尼器参数、散热裕度或器件选型方面的结果之前，先将测量到的开关波形与模拟波形进行比对。比较同一测试设置下的集电极-发射极电压、集电极电流、栅极电压和振铃频率。如果这些波形与模拟结果吻合，该模型才能真正指导设计工作，而非仅仅粉饰设计。

双脉冲测试是最精确的检测方法，因为它能在已知的电流和总线电压条件下，将单次导通和关断事件分离出来。接下来要测试的是采用脉宽调制的逆变器支路，因为此时死区时间和二极管交变恢复效应会产生影响。在探头带宽和封装寄生参数范围内，轻微的不匹配是正常的。严重的不匹配通常可追溯至电感缺失、栅极电阻错误，或是基于某一份数据手册中单一点的损耗标度。

优秀的转换器设计源于那些能够尽早识别损耗和应力问题的模型，从而在图纸定稿前对硬件进行调整。正因如此，透明的工具比经过打磨的理想模块更为重要。当您需要可验证的、与实际构建电路高度贴合的开关模型时，SPS SOFTWARE正是理想之选。