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

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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

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

由于功率器件開關速度的提升，功率器件電壓尖峰問題變得越發突出。本文首先以兩電平逆變器為例來對功率器件電壓尖峰問題進行分析，推導出了功率器件電壓尖峰的計算公式.同時根據IGBT的DATASHEET構建了IGBT的器件級模型，并且對該模型的開關特性進行仿真測試來驗證模型的正確性，最后將該IGBT模型應用于逆變器電壓尖峰仿真研究中，仿真結果表明，本文的方法具有較高的準度和實用性，可以較好地指導功率器件電壓尖峰問題研究。

功率器件 電壓尖峰 器件級模型 開關特性

0 引言

功率半導體器件的快速通斷能力提升會使功率器件產生較高的d/d[1-3]，其與回路中雜散電感相互作用，會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的提升，因此研究電壓尖峰問題對提升功率器件電壓等級意義重大。

目前絕大多數文獻是通過理論分析與實驗相結合的方式來研究功率器件電壓尖峰問題[3-5]，這種研究方法對實驗的依賴性較強，而對電壓尖峰的分析預測能力相對較為缺乏，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，將所構造的IGBT器件級模型應用于電壓尖峰問題的仿真分析中，對本文的理論分析進行驗證。

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的關斷瞬態過程分析

在研究中先同時給T1和T4門極115 μs的開通脈沖電壓信號，在T1管和T4管導通后，由電壓源dc、1、1、2、2組成了一個一階的瞬態電路（見圖2），導通過程中負載電流滿足：

隨后兩個IGBT同時關斷，在T1、T4關斷的瞬態過程中，由于時間很短（微秒級），流經L1、L2的電流值變化基本可以忽略（假設此刻的電流值為0），因此在該過程中可以用兩個電流值為0的電流源來代替A、B兩相負載，圖3為T1、T4關斷的瞬態過程中回路電流的示意圖。假設關斷過程中圖3（a）所示電流方向為參考方向，則由基爾霍夫電壓、電流定律可知：

（2）

（4）

（5）

圖2 IGBT導通過程示意圖

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

（8）

（9）

最終T1管和T4管均關斷，T2管和T3管的續流二極管分別導通續流（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管在關斷過程中電壓尖峰的產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。

2 功率器件電壓尖峰仿真研究

2.1 IGBT器件級模型建立

IGBT模型主要分為基于物理結構的模型和基于數學方法的模型[5]，采用物理結構建模可以較為準確地描述器件的穩態和動態工作特性，但其需要用戶清楚地了解IGBT的內部結構和開通關斷階段的工作過程，尤其是如何確定模型參數值的工作較為復雜[6]。基于數學方法的IGBT模型是根據功率器件在各種工況下的實驗數據而建立的函數關系，因此需要進行大量的實驗[4]。

（a）

（b）

圖3 IGBT關斷過程電流示意圖

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所組成的達林頓結構以及續流二極管的結構，其他部分則為R、L、C以及電流源所組成的電路，該模型克服了復雜的模型參數值確定工作，因此具有較好的實用性。

圖4 IGBT等效電路模型

2.2 IGBT模型測試

為了驗證所建立IGBT器件級模型的準確性，建立圖5所示測試電路，對型號為FF450R12ME4的IGBT模型的開關時間在結溫為150度情況下進行脈沖測試，將仿真所得的參數與英飛凌實際測試后所得出的數據表參數相對比可得表1，從表1中可以看出本文所建立的器件級模型具有較高的精度，可以滿足仿真需要。

表1 IGBT開關時間仿真值與實際值對比

圖5 IGBT仿真測試

圖6 電壓尖峰仿真模型

2.3 基于器件級模型的電壓尖峰仿真研究

采用本文中的IGBT器件級模型可以對上述電壓尖峰問題進行仿真研究，由于T1和T4管電壓尖峰的分析方法相似，本文著重對T1進行分析。圖6為電壓尖峰的仿真模型，其中仿真參數設置如下：電壓源電壓為488 V，驅動電源為兩個115 μs的電壓脈沖，負載電感為0.028 mH，負載電阻設定為0.5 mH，電容設定為1 mF，驅動電阻設定為1.3 Ω，將s11~s62均設定為為5 nH（該參數可從IGBT數據表查出），圖7為母線雜散電感值為5 nH時的仿真波形，其中實線為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從關斷開始到完全關斷負載電流的變化為6 A（相對于最大值422 A可以忽略不計），這與理論分析也是相符的，同時T1導通的時候與負載1、1是串聯關系，因此T1電流波形與1電流波形在T1、T4導通狀態下是重合的，T1、T4關斷以后T2和T3的二極管均導通續流，故此時電壓表VM1兩端的電壓穩定在488 V，最終續流電流逐漸減小為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T1管電壓尖峰進行分析，將仿真結果和理論結果統計如表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，從而驗證了電壓尖峰理論研究方法的準確性。

表2 電壓尖峰仿真值與理論值對比

本文以兩電平逆變器為例來對功率器件電壓尖峰問題進行分析，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比來驗證分析的準確性，結果表明本文提出的電壓尖峰問題研究方法實用性較強，從而為功率器件設計奠定了基礎。

[1] 景巍. 大功率三電平變頻器功率器件損耗研究[D].中國礦業大學, 2011.

[2] 郭犇, 李思奇, 蔣曉華, Shinichi Isobe. 三相IGBT逆變器中的尖峰電壓分析[J]. 電力電子技術, 2010, 10: 91-93+115.

[3] 陳材, 裴雪軍, 陳宇, 汪洪亮, 康勇. 基于開關瞬態過程分析的大容量變換器雜散參數抽取方法[J]. 中國電機工程學報, 2011, 21: 40-47.

[4] 毛鵬, 謝少軍, 許澤剛. IGBT模塊的開關暫態模型及損耗分析[J]. 中國電機工程學, 2010, 15: 40-47.

[5] 熊妍, 沈燕群, 江劍, 何湘寧. IGBT損耗計算和損耗模型研究[J]. 電源技術應用, 2006, (5): 55-60.

[6] 鄧夷, 趙爭鳴, 袁立強, 胡斯登, 王雪松. 適用于復雜電路分析的IGBT模型[J]. 中國電機工程學報, 2010, (9): 1-7.

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：功率器件應用研究。E-mail：974736730@qq.com