采用Saber模型研究IGBT工作极限特性

电工技术学报

2001年4月

采用Saber模型研究IGBT工作极限特性

ResearchonIGBToperationlimitsbyUsingtheModelofSaber

丁　强　何湘宁(浙江大学电力电子技术研究所　310027)DingQiang　HeXiangning(ZhejiangUniversity　310027　China)

　　摘要　研究了绝缘门双极晶体管(IGBT)的结温及工作电流对其开关波形的影响,并应用IGBT关断时集电极电流、集电极与源极电压变化对应于结温和工作电流变化的关系,与实验结

果进行了比较,提出了一种验证通用仿真软件中所给专用模型有效性的途径。以功能强大的

Saber软件为例,应用Saber模型,讨论了IGBT的工作极限特性,并且探讨了Saber中IGBT专用模型可改进的方面。

关键词:绝缘门双极晶体管　模型　有效性　结温中图分类号:TN32218

Abstract　TheIGBToperationlimitsdependingonjunctiontemperatureandoperatingcurrentlevelarestudiedinthispaper.Comparedtotheexperimentalresults,amethodtoprovetheavailabilityofIGBTspecialmodelsinageneralsimulationsoftwareissuggested,whichusesIGBTwaveformsofturn2offcurrentandcollectorvoltagerelationstothejunctiontemperatureandoperatingcurrentlevel.TheIGBTmodelsinsaberareusedtodisscusstheIGBToperationlimits,subjecttosomemodelim2provements.

Keywords:IGBT　Model　Availability　Junctiontemperature

1　引言

由于绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有开关速

度快,通流能力强的特点,因此成为一种广泛应用的电力电子器件。在实际应用中,短路或能耗过大引起结温过高是造成IGBT失效的重要原因之一,为此,有效地直接或间接测量IGBT的结温是保护IGBT正常工作的可行措施之一。文献[1,2]中提出了无损测量IGBT结温的方法。当结温升高而关断电流保持不变时,集电极与源极之间的电压上升率下降,电压上升时间增加,IGBT集电极电流的最大变化率(-dia/dt)max的产生位置上移,值的大小降低;当结温一定时,(-dia/dt)max的大小

浙江省自然科学基金青年科技人才专项基金资助项目。

随关断电流的增大或减小而增大或减小,IGBT集电极与源极之间的电压上升时间随关断电流的增大而减小。在电路中我们可利用(-dia/dt)max的大小和关断时电压上升时间来判断IGBT的过流状态,以达到保护器件的目的。

然而,在设计电力电子线路及选用电力电子器件时,人们都希望能先在计算机上进行电路仿真,以确定电路参数,器件应力,最高开关频率等,这样不仅缩短了产品开发周期,减小器件损坏数量,降低开发成本,而且能避免一些偶尔的、次要的因素对电路的影响,解决主要问题,克服实验条件带来的限制,而其中获得功率器件的极限工作特性是一项重要的内容。因此,需要一个能反映电路实际

丁　强　男,1971年生,浙江大学电气工程学院硕士生,研究方向为电力电子技术研究及应用。

何湘宁　1961年生,博士,教授,博士生导师,现为浙江大学应用电子学系系主任兼电力电子技术研究所所长,IEEE高级会员,研究方向为电力电子技术及其工业应用,发表论文100余篇,获多项省部级科技进步奖和论文奖。

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情况的仿真软件,并且希望该仿真软件带有大量较为符合实际器件特性的元件库,以方便仿真时的选用。

Saber仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一,它有较大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型。Saber中所含的IG2BT元件模型分为通用模型及专用模型[3],通用模型又有HefnerIGBT模型[4]及IGBT行为模型(BehavioralIGBTModel)。HefnerIGBT模型是以IGBT物理模型为基础的,其模型参数多为物理参

晶体管关断过程中,少数载流子在基区复合而消失,τ为N基区中少数载流子寿命,则关断过程中IGBT集电极电流可表示为

τ-τ/t

I(t)=I1e=αPNPIAe-/t　(t>t2)(6)所以随结温升高,N基区中少数载流子寿命τ增加,引起IGBT拖尾电流时间变长;另一方面,结温升高,MOSFET沟道电阻增大,流过沟道的电流IM减小,同时晶体管电流放大系数αPNP随结温升高而增大,则I1值增大,结温变化导致IGBT关断时间变长。而当结温不变,关断电流IA增大时,晶体管电流放大系数αPNP随IA增大而减小,对于式(5)虽然αPNP减小,但由于IA的增大,

I1依然会增大。

数,如载流子寿命、基区掺杂浓度等。在实际使用时需要根据所选器件对通用模型中的参变量赋予相应数值,因而不便于平常用,而专用模型针对不同器件,已确定了通用模型中的参变量,因此我们经常使用的多为专用模型。

本文的主要目的是通过相关的器件模型来研究功率器件的工作极限特性,为电力电子电路和系统分析、设计提供可靠依据。同时提出了一种验证器件模型在使用中的有效性的方法,并以Saber软件的器件库为例,比较了理论和实际的差别,为设计优化可靠的IGBT电路打下基础。

2　IGBT模型及关断机理

IGBT是一种电压控制型的单-双极复合器

图1　集电极关断电流波形

Fig.1　Shut2downcollectorcurrentwaveforms

件,对于N沟道的IGBT相当于一个由N沟道半

导体场效应晶体管(MOSFET)驱动的厚基区PNP晶体管,通过MOSFET沟道的电流为PNP

晶体管基极提供驱动电流,若MOSFET的沟道电流为IM,PNP晶体管的集电极电流为IC,则IG2BT导通时集电极电流IA,

(1)IA=IM+IC若PNP晶体管电流放大系数为αPNP,则

IC=αPNPIA

IM=(1-αPNP)

IA

关断电流简化波形忽略了MOSFET沟道电流

与PNP晶体管电流重叠情况,IGBT集电极电流最大下降率(-dia/dt)max发生在PNP晶体管的存储时间和MOSFET下降时间的重合阶段,如图1曲线2中ac段,如前分析,由于c点对应的电流起始值I1与关断电流及结温密切相关,所以,(-dia/dt)max的产生时刻也与关断电流及结温密切相关,当关断电流增大或结温升高时,c点上移,导致(-dia/dt)max的产生位置上移。实验证明(-dia/dt)max的大小与关断电流及结温也密切相关。当关断电流一定时,则随结温升高而减小,反之亦然,当结温一定时,它随着关断电流的增大或减小而增大或减小。

作为少子器件的IGBT,在硬开关带电感负载条件下关断时,集电极与源极电压上升率与门极驱动状况及载流子寿命有关。结温升高时,N基区中少数载流子寿命τ增加,集电极与源极之间的电压上升率下降,电压上升时间增加。而当结温不

(2)(3)

IGBT关断电流简化波形如图1中曲线1所示。当IGBT栅极电压为零时,导电沟道消失,沟道电流

IM降为零,即切断了PNP晶体管的基极电流,晶

体管开始关断,此时IGBT集电极电流IA下降为I1下降量为ΔI

ΔI=IM=IA-I1=(1-αPNP)IA　(t=t2)(4)

I1=αPNPIA　　　　　　　　　(t=t2)(5)

第16卷第2期丁　强等　采用Saber模型研究IGBT工作极限特性67

变,关断电流IA增大时,由于晶体管电流放大系

数αPNP随IA增大而减小,因而从式(4)中可以看到ΔI明显增大,从而减小了IGBT关断时间,电压上升时间减小。上述工作过程中没有涉及失效机理,常规下,我们一般都限制在IGBT结温不超

),因此在IGBT过130℃(生产厂一般推荐125℃

工作过程中温度升高达到极限时,在相应电路中

IGBT的(-dia/dt)max发生时刻或者电压上升时间也达到极限指标,用此极限指标可以用于IGBT的保护。

BT在带感性负载时,选用的IGBT为IRG420U,

μH。其额定值为500V13A所加电感的电感量为5

表1　Tab.1　IRGbc20U35℃

关断电流I/A

41015202630L(-dia/dt)max/V

ΔT/μs

373025211613

010260103701042010440104601047

3　仿真与实验比较

311　集电极电流下降率特性表2　Tab.2　IRGbc20UI=2418A

结温/℃

273545556575

L(-dia/dt)max/V

为检测IGBT集电极电流最大下降率(-dia/dt)max在IGBT的发射极串入一个电流互感器,其一次线圈为IGBT的发射极引线,电流互感器的输出接一电感L,L上产生的电压为L(-dia/dt),其最大值L(-dia/dt)max对应IGBT关断时集电极电流的最大下降率(-dia/dt)max仿真电路如图2。　　　

ΔT/μs

1712171618161616151613

01050104901046010430104001038

表3　Tab.3　IRGbc20UI=33A

结温/℃

2735

L(-dia/dt)max/V

ΔT/μs

1113111110181014101110

010540105101047010440104101038

图2　测(-dia/dt)max仿真线路

Fig.2　Simulationcircuitformeasuring(-dia/dt)max

45556575

在不同关断电流及结温下仿真结果如表1～表

3所示,其中ΔT表征集电极电流最大下降率发生时刻,从关断信号开始到集电极电流最大下降率发生时刻的时间段为ΔT(见图3)。表中可以看到随

IA增大,电感电压最大值增大,集电极电流最大

下降率发生时刻提前。IA增大一定时,随结温升高,电感电压最大值减小,发生时刻提前。这些都与我们前面所分析的结论相一致,这一特性在实际电路中也得到了证实[2]。312　集电极电压上升率特性

图4是研究关断时电压上升时间与温度及关断电流关系的仿真线路。在图4的仿真电路中,IG2

图3　L(-dia/dt)max仿真波形

Fig.3　SimulationwaveformsofL(-dia/dt)max

68电工技术学报2001年4月

图4　带感性负载关断的仿真电路Fig.4　SimulationcircuitforIGBTshut2down

withinductiveloads

　　实验中,用极低频率的脉冲驱动器件,这样由开关损耗引起的温升可以忽略。当关断电流一定,研究集电极电压温升特性时,将IGBT放入烘箱加热至某一温度,则该温度即认为是器件结温。保持主电路电源、负载电路、缓冲电路及驱动电路不变的情况下,将不同结温的IGBT放入测试电路中,就可得到一定工作电流下集电极电压温升特性[1]。同样,保持结温不变,改变负载电路的阻抗,又能得到不同工作电流下的集电极电压温升特性。而仿真上述过程则相当简单,软件参数的修改是很容易的。图5是不同结温及不同关断电流条件下集电极电压的上升时间的仿真和实验结果。

从IGBT仿真结果看,集电极电流、集电极电压波形与结温和工作电流变化的关系存在,且变化趋势和实验结果是一致的,这一方法也提示我们可用于验证Saber中IGBT模型在应用中的有效性,它为验证通用仿真软件中元件模型的有效性提供了一种方法。

同时我们也注意到在图5中,仿真结果和实验记录之间在数值上有所不同,特别是在关断电流比较小的情况下,而影响这一结果差异的原因有如下方面的因素:①关断电流不同时,IGBT模型中没有考虑壳到结之间的热梯度分布以及非均匀性;②Saber中模型参数与实验中IGBT性能参数的匹配;

图5　集电极电压上升时间与结温及关断电流的关系

Fig.5　Relationshipbetweencollectorvoltage,junction

temperatureandshut2downcurrent

关频率可由下式计算

f(I)

=

(Tjmax-Tamb)/Rj-Esw

amb-Pcon-Pleak(7)

式中　Tjmax———允许最高结温

Tamb———环境温度Rj-amb

———结到外部热阻

Pcon———通态损耗Pleak———漏电流断态损耗Esw———开关能量损耗

③实验中IGBT关断的延时时间及驱动波形的下降

时间与仿真有所区别;④仿真精度的限制。在仿真中如果加入这些实际因素将改进上述结果。313　用计算法确定工作极限频率IGBT的开关频率受限于最高允许结温,一般都限制结温不超过130℃(生产厂商一般要求低于),而结温大小依赖于热阻、散热器安排、源125℃

漏电流断态损耗即使在130℃时也不明显(可忽

略),而通态损耗与工作电流和开关占空比有关。式(7)表明了IGBT开关频率极限fmax与集电极电流Ic曲线之间的关系,本文利用式(7)通过Saber仿真可确定IGBT的极限频率。

利用图4的仿真电路,可获得IRG420U工作在结温为130℃时,IGBT的通态损耗及开关损耗。开通时,IGBT的通态压降和通态电流很容易从仿真结果中得到,它们之间的关系如图6中曲线1所

电压、工作电流和门极驱动电路。IGBT的最高开

第16卷第2期丁　强等　采用Saber模型研究IGBT工作极限特性69

示,通态压降与通态电流的乘积即为通态损耗

Pcon。IGBT的开关功耗不能从仿真结果中直接得到,需要计算,Saber中的IGBT模型提供了很多输出变量,我们可以利用输出变量中的pwrd(IG2BT的瞬时功率)来计算,利用Saber软件中的计算工具measurement计算出在开通过程中平均功率Pavg,即pwrd在开通期间(包括开关过程)的平均值;在开通期间内的开关损耗的平均值Psavg为

(8)Psavg=Pavg-Pcon

Psavg乘以开通时间(包括开关时间)就得到开关能

中的比重下降,占空比对最大开关频率的影响不明

显,这一结果和实验相一致。虽然这种方法的精确程度取决于损耗及热阻的数值的准确性,但它为我们的仿真研究各种器件的工作极限特性提供了一条简捷的途径。

314　用比较法确定工作极限频率

确定IGBT极限频率的另一种方法是利用结温的变化导致IGBT的关断波形发生变化的特性。频率的升高必然引起开关损耗的增加,使得结温升高,并且关断电压的上升时间易测量、不易受干扰,因此我们也可以用IGBT的集电极电压上升时间来间接获取结温,进而得到IGBT的极限频率。

实验中,在测量极限频率前,如前所述,在低频驱动信号下,得到电压上升时间关于不同电流、不同结温的曲线如图5b,然后将此IGBT放入频率可变的线路中,保持占空比和IGBT工作电流不变,增加开关频率,利用数字示波器,我们可以很容易得到电压上升时间,对比图5b,当电压上升时间达到极限结温时的上升时间值,这时候的开关频率即为此IGBT在当前电流水平和占空比条件下的极限频率[1]。

用比较法利用Saber研究IGBT的工作频率极限时,见图4,当关断电流为4A,占空比为011时,开关频率为100Hz、10kHz、100kHz,集电极电压上升时间分别为106161ns、107125ns、107152ns,增高开关频率,集电极电压上升率变化

量损耗Esw。开关损耗与导通电流之间的关系曲线如图6中曲线2所示。利用式(7)就可得到IGBT极限频率与导通电流之间的关系曲线如图7。图6　导通状态及开关损耗

Fig.6　Operatingstatusandswitchingloss

从图7中我们注意到,当工作电流下降、开关

频率增加时,对占空比不同情况,管子最高频率相差不多。这是因为电流下降,通态损耗占所有损耗

不大。这说明在IGBT模型中,频率的变化并没有反映到结温的变化上,SaberIGBT模型应在这方面有所改进。我们注意到式(7)中也反映了频率与结温之间的关系,将式(7)用到IGBT模型中,可以使模型反映出开关频率变化后结温随之改变,进而体现在集电极电压上升时间上。

4　结论

从仿真结果和实验记录比较分析,SaberIGBT模型在电路中的行为特征与实际器件相符,存在结温变化引起IGBT开关波形变化的现象。本文通过仿真模型研究了实际工作环境中的IGBT工作极限特性,提出了获得IGBT工作极限参数数据的仿真方法。但是Saber中也存在着专用元器件模型还不十分齐全,结温与频率关系不明显等有待提高的方

(下转第60页)

图7　仿真所得极限频率与导通电流之间的关系曲线

Fig.7　Relationshipbetweenthelimitedfrequencyand

operatingcurrentfromsimulations

60电工技术学报2001年4月

差、动态时输入电流出现直流偏置、无限流能力等缺点。

(2)无电流传感器控制方式可以获得与直接电流控制同样优良的动态和稳态性能,但控制成本低于直接电流控制,因此具有工程实用价值。

(3)电感器的非线性时变特性影响了观测器对输入电流的检测精度,使整流器输入电流产生畸变,但实验表明,输入电流的失真程度在容许的范围内。(4)采用相同的思路可以构造两相坐标系的电流观测器,通过开关函数构造主电路变量的方法理论上适用于一般的开关变换器。

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图7　40%到100%负载时的实验波形

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techniquesforthree2phasevoltage2sourcePWMconverter∶Asurvey,IEEETrans1Ind1Electron1,1998,45(5)∶691

5　结论

本文通过建立三相电压型PWM整流器的高频动态数学模型,提出了基本输入电流观测器的无电

流传感器控制策略,主要结论如下:

(1)无电流传感器控制方式的成本和间接电流控制方式接近,但克服了间接电流控制动态性能(上接第69页)

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2　李山,季凌云,阎淑英1绝缘门双极晶体管阳极电流最

面。因此,改变IGBT模型的结温与频率的关系,

将整定过IGBT模型应用到实际电路中,得到在不同运行条件下的仿真结果,并且这些结果是可信的,为我们的预研工作提供一种有效的手段。

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