姚 奇，劉念洲，李明勇

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一種功率器件電壓尖峰問題的研究方法

姚 奇，劉念洲，李明勇

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

由于功率器件開關(guān)速度的提升，功率器件電壓尖峰問題變得越發(fā)突出。本文首先以兩電平逆變器為例來對(duì)功率器件電壓尖峰問題進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了功率器件電壓尖峰的計(jì)算公式.同時(shí)根據(jù)IGBT的DATASHEET構(gòu)建了IGBT的器件級(jí)模型，并且對(duì)該模型的開關(guān)特性進(jìn)行仿真測試來驗(yàn)證模型的正確性，最后將該IGBT模型應(yīng)用于逆變器電壓尖峰仿真研究中，仿真結(jié)果表明，本文的方法具有較高的準(zhǔn)度和實(shí)用性，可以較好地指導(dǎo)功率器件電壓尖峰問題研究。

功率器件 電壓尖峰 器件級(jí)模型 開關(guān)特性

0 引言

功率半導(dǎo)體器件的快速通斷能力提升會(huì)使功率器件產(chǎn)生較高的d/d[1-3]，其與回路中雜散電感相互作用，會(huì)使得功率器件電壓尖峰問題越來越突出，阻礙功率器件電壓等級(jí)的提升，因此研究電壓尖峰問題對(duì)提升功率器件電壓等級(jí)意義重大。

目前絕大多數(shù)文獻(xiàn)是通過理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式來研究功率器件電壓尖峰問題[3-5]，這種研究方法對(duì)實(shí)驗(yàn)的依賴性較強(qiáng)，而對(duì)電壓尖峰的分析預(yù)測能力相對(duì)較為缺乏，本文以兩電平逆變器為例來分析功率器件的電壓尖峰問題，將所構(gòu)造的IGBT器件級(jí)模型應(yīng)用于電壓尖峰問題的仿真分析中，對(duì)本文的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1 功率器件電壓尖峰問題分析

本文以兩電平逆變器為例來研究功率器件開關(guān)過程中的電壓尖峰問題，測試電路如圖1所示，其中s是電容到IGBT連接端子的等效雜散電感，s11~s62為IGBT模塊內(nèi)部芯片到端子的雜散電感（為敘述方便，省略后面原理圖的雜散電感）。

1.1 IGBT的關(guān)斷瞬態(tài)過程分析

在研究中先同時(shí)給T1和T4門極115 μs的開通脈沖電壓信號(hào)，在T1管和T4管導(dǎo)通后，由電壓源dc、1、1、2、2組成了一個(gè)一階的瞬態(tài)電路（見圖2），導(dǎo)通過程中負(fù)載電流滿足：

隨后兩個(gè)IGBT同時(shí)關(guān)斷，在T1、T4關(guān)斷的瞬態(tài)過程中，由于時(shí)間很短（微秒級(jí)），流經(jīng)L1、L2的電流值變化基本可以忽略（假設(shè)此刻的電流值為0），因此在該過程中可以用兩個(gè)電流值為0的電流源來代替A、B兩相負(fù)載，圖3為T1、T4關(guān)斷的瞬態(tài)過程中回路電流的示意圖。假設(shè)關(guān)斷過程中圖3（a）所示電流方向?yàn)閰⒖挤较颍瑒t由基爾霍夫電壓、電流定律可知：

（2）

（4）

（5）

圖2 IGBT導(dǎo)通過程示意圖

在理想情況下，每個(gè)IGBT管的特性均相同，故有1=4，2=3，同時(shí)根據(jù)式（2）~（6）可得：

（8）

（9）

最終T1管和T4管均關(guān)斷，T2管和T3管的續(xù)流二極管分別導(dǎo)通續(xù)流（見圖3（b）），電流從0逐漸減小為0，該過程的電流滿足：

從式（7）和式（8）中可以看出T1和T4管在關(guān)斷過程中電壓尖峰的產(chǎn)生主要與集電極電流的變化率和回路中存在的雜散電感值有關(guān)。

2 功率器件電壓尖峰仿真研究

2.1 IGBT器件級(jí)模型建立

IGBT模型主要分為基于物理結(jié)構(gòu)的模型和基于數(shù)學(xué)方法的模型[5]，采用物理結(jié)構(gòu)建模可以較為準(zhǔn)確地描述器件的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)工作特性，但其需要用戶清楚地了解IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開通關(guān)斷階段的工作過程，尤其是如何確定模型參數(shù)值的工作較為復(fù)雜[6]。基于數(shù)學(xué)方法的IGBT模型是根據(jù)功率器件在各種工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而建立的函數(shù)關(guān)系，因此需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)[4]。

（a）

（b）

圖3 IGBT關(guān)斷過程電流示意圖

圖4為本文所建立的IGBT等效電路模型，該模型的主體部分是電力晶體管與MOSFET所組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)以及續(xù)流二極管的結(jié)構(gòu)，其他部分則為R、L、C以及電流源所組成的電路，該模型克服了復(fù)雜的模型參數(shù)值確定工作，因此具有較好的實(shí)用性。

圖4 IGBT等效電路模型

2.2 IGBT模型測試

為了驗(yàn)證所建立IGBT器件級(jí)模型的準(zhǔn)確性，建立圖5所示測試電路，對(duì)型號(hào)為FF450R12ME4的IGBT模型的開關(guān)時(shí)間在結(jié)溫為150度情況下進(jìn)行脈沖測試，將仿真所得的參數(shù)與英飛凌實(shí)際測試后所得出的數(shù)據(jù)表參數(shù)相對(duì)比可得表1，從表1中可以看出本文所建立的器件級(jí)模型具有較高的精度，可以滿足仿真需要。

表1 IGBT開關(guān)時(shí)間仿真值與實(shí)際值對(duì)比

圖5 IGBT仿真測試

圖6 電壓尖峰仿真模型

2.3 基于器件級(jí)模型的電壓尖峰仿真研究

采用本文中的IGBT器件級(jí)模型可以對(duì)上述電壓尖峰問題進(jìn)行仿真研究，由于T1和T4管電壓尖峰的分析方法相似，本文著重對(duì)T1進(jìn)行分析。圖6為電壓尖峰的仿真模型，其中仿真參數(shù)設(shè)置如下：電壓源電壓為488 V，驅(qū)動(dòng)電源為兩個(gè)115 μs的電壓脈沖，負(fù)載電感為0.028 mH，負(fù)載電阻設(shè)定為0.5 mH，電容設(shè)定為1 mF，驅(qū)動(dòng)電阻設(shè)定為1.3 Ω，將s11~s62均設(shè)定為為5 nH（該參數(shù)可從IGBT數(shù)據(jù)表查出），圖7為母線雜散電感值為5 nH時(shí)的仿真波形，其中實(shí)線為T1兩端的電壓波形，長虛線為流過T1的電流波形，短虛線為流過A相電阻R1兩端的電流波形，從仿真波形圖中可以看出T1從關(guān)斷開始到完全關(guān)斷負(fù)載電流的變化為6 A（相對(duì)于最大值422 A可以忽略不計(jì)），這與理論分析也是相符的，同時(shí)T1導(dǎo)通的時(shí)候與負(fù)載1、1是串聯(lián)關(guān)系，因此T1電流波形與1電流波形在T1、T4導(dǎo)通狀態(tài)下是重合的，T1、T4關(guān)斷以后T2和T3的二極管均導(dǎo)通續(xù)流，故此時(shí)電壓表VM1兩端的電壓穩(wěn)定在488 V，最終續(xù)流電流逐漸減小為0，此過程滿足式（10）。

圖7 電壓尖峰仿真波形

在仿真中通過改變母線雜散電感值來對(duì)T1管電壓尖峰進(jìn)行分析，將仿真結(jié)果和理論結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示，從表中可以看出仿真得到的尖峰電壓值與理論計(jì)算得出的尖峰電壓值在不同雜散電感情況下誤差較小，從而驗(yàn)證了電壓尖峰理論研究方法的準(zhǔn)確性。

表2 電壓尖峰仿真值與理論值對(duì)比

本文以兩電平逆變器為例來對(duì)功率器件電壓尖峰問題進(jìn)行分析，提出了一種功率器件電壓尖峰問題研究的分析方法，并通過理論與仿真相對(duì)比來驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明本文提出的電壓尖峰問題研究方法實(shí)用性較強(qiáng)，從而為功率器件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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A Research Method of Voltage Spike for Power Device

Yao Qi, Liu Nianzhou, Li Mingyong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China）

TM461

A

1003-4862（2017）06-0053-03

2016-12-21

姚奇（1991-），男，碩士研究生。研究方向：功率器件應(yīng)用研究。E-mail：974736730@qq.com