适用于电路仿真的IGBT模块暂态模型研究

高压IGBT与二极管构成IGBT模块已经广泛应用于柔性直流输电技术领域。然而现有仿真研究难以模拟IGBT模块中IGBT与二极管各自详细开关暂态特性及相互影响,因此提出一种适用于电路仿真的IGBT模块暂态模型及其参数通用提取方法。模型采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法在PSCAD、SABER等电路仿真平台实现,无需获取器件底层参数和求解复杂物理方程,不仅可以实现电路仿真中IGBT模块的各种运行状态,而且可以在纳秒级步长下模拟其电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台等开关暂态特性。通过与SABER中通用模型仿真结果及实验实测波形对比分析,验证了IGBT模块暂态模型和参数提取方法的正确性和通用性,为进一步将模型应用于柔性直流输电系统仿真、电磁干扰及损耗分析、控制策略等研究打下基础。     

Saber仿真模型IGBT1在固态开关设计中的应用

电力电子仿真软件Saber提供了丰富的通用模型和各种具体型号器件的专用模型。介绍了Saber下绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)通用模型中IGBT1模型的等效电路,分析了IGBT1模型的静态和动态工作特性,包括直流传输特性、IGBT并联时的电流分配问题、IGBT导通过程等,并提供了Saber下IGBT1模型与静态、瞬态过程有关的参数取值。当参数取值准确时,其仿真波形能较好地验证IGBT稳态与瞬态的计算结果。最后,介绍了该模型在固态开关设计中的应用。     

大功率沟槽栅场终止IGBT器件物理模型参数提取的新方法（英文）

针对沟槽栅场终止技术IGBT器件,提出一种新颖的模型参数提取方法,给出详细的处理流程,并在考虑模型参数偏差的情况下分析IGBT器件串联中的电压不均衡问题。首先,采用功率器件曲线测试仪测试了器件的极间电容,从而拟合出IGBT芯片的有源区面积。通过功率半导体器件参数手册,结合相关半导体理论,反向计算获得其主要模型参数。通过搭建双脉冲测试平台,拟合开关过程测试曲线获得IGBT器件和时间相关的模型参数。在不同的试验条件下,测试、仿真结果的比较验证提取的模型参数,从而证实建议的参数提取方法。利用提取的模型参数,在考虑器件及驱动参数偏差的情况下分析柔性高压直流输电工程中的IGBT串联电压不均衡问题。     

IGBT模块的新型开关模型与损耗分析

为解决绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）模块开关模型适用性差、拟合度低、开关损耗难以实时连续计算的问题,通过分析IGBT模块开关过程的动、静态特性,着重考虑器件结温和杂散参数等参考量对IGBT开关过程中的瞬时电压、电流波形的影响,基于曲线拟合理论,建立了IGBT模块的开关模型与损耗模型。所建立的开关模型通用性强,适用于相邻开关周期内开关管导通电流不相等的电路;损耗模型精确度高,能够实时累加计算电路的损耗数值。基于Matlab/Simulink环境对开关过程进行仿真并搭建了双重移相DC-DC实验样机进行验证,仿真与实验结果验证了所提出的开关模型及损耗模型的正确性和准确性。     

一种提高IGBT行为模型暂态精度的模型参数校正方法

一般绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)行为模型通过其数据手册的特性曲线提取参数,但是IGBT数据手册只是厂商提供的参考,实际中的IGBT由于制造工艺以及老化程度的不同,其真实的特性曲线和数据手册中的有偏差,从而使得IGBT行为模型的暂态精度不高。重新测试IGBT的特性曲线存在着测试较为复杂及精度的问题,为此,提出一种提高IGBT行为模型暂态精度的模型参数校正方法。首先推导IGBT开关暂态中,各工作模态持续时间的表达式,归纳影响各工作模态持续时间的模型参数。然后分析实测与仿真暂态波形存在误差的原因,根据误差和模型参数的关系及参数的敏感度,归纳总结模型参数的调整方法。通过对比不同负载电流下双窄脉冲实验和仿真的暂态波形,验证模型的准确性及通用性。最后将校正后的模型应用于BUCK拓扑仿真,验证在实际应用中模型能够较为准确地描述IGBT开关暂态特性。     

考虑热学特性的高压IGBT模块暂态模型

为准确描述高压柔性直流输电技术中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块中IGBT与二极管的开关暂态、热学特性及其关系,提出了一种考虑热学特性的高压IGBT模块暂态模型。该模型包括IGBT模块暂态模型和热学特性模块,采用机理推导、电气等效等方法,无需提取器件底层参数和求解复杂半导体方程,大大减少了计算量。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建模型测试电路与SABER通用模型,与实验测量结果进行对比分析,以验证模型有效性。结果表明,所提出的模型不仅可以实现电路仿真中IGBT模块的各种运行状态,还可以在小步长下模拟其电压电流尖峰、拖尾电流、Miller平台、二极管反向恢复等开关暂态特性,并考虑了温度损耗等对器件参数的影响。因此,该模型可用于柔性直流输电系统仿真、电磁干扰和损耗分析及控制策略等方面的研究。     

IGBT的Hammerstein结构宏模型研究

基于生产厂家提供的电参数和特性曲线,采用Hammerstein结构宏模型 建立了IGBT的器件仿真模型。采用最小二乘法作为模型参数提取的一统一方法,利用状态变量法对使用IGBT为开关器件的直流斩波电路进行了仿真研究。     

IGBT开关瞬态的温度特性与电热仿真模型

由于半导体的材料特性随温度的变化发生改变,采用硅材料制造的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作特性受温度的影响也十分显著,开关瞬态过程将随温度发生较大变化。针对不同温度下的开关过程开展了测试实验,发现IGBT的开通与关断瞬态具有不同的温度特性,根据实验现象对IGBT的开关过程进行了分析,得出IGBT开关瞬态的温度特性主要是受载流子寿命影响的结论。对IGBT电热模型的基本原理以及现有模型方法进行了分析,根据实验中得出的结论,提出了一种改进的IGBT电热模型。基于该模型对IGBT关断时的电流拖尾过程以及整个开关瞬态过程开展了电热仿真分析,通过仿真波形与实测波形的比较,验证了实验中得出的结论以及该模型的准确性。     

一种中电压大功率IGBT模块行为模型

目前已有场终止型绝缘栅双极性晶体管(IGBT)行为模型以及仿真软件中的IGBT模型未专门针对中电压大功率IGBT模块搭建,不能准确模拟其区别于中小功率IGBT的行为特性。在已有行为模型基础上,提出引入IGBT基区存储电荷造成的等效电容及模块封装键合丝带来的寄生电感,考虑反并联PIN二极管行为模型,从而有针对性地实现了完整中电压大功率IGBT模块行为模型。同时提出了新的米勒电容函数拟合方法,量化分析行为模型完整开关过程中典型行为与模型参数的关系,通过较简便的方法实现了模型参数的提取。最后在Pspice环境下实现了一种3.3k V/1.5k A等级IGBT行为模型,并通过在Buck电路下仿真与实验波形对比证明了该行为模型的可行性和有效性。     

封装寄生参数对并联IGBT芯片瞬态电流分布的影响规律

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开关特性,分析了寄生参数差异性对于并联IGBT芯片瞬态电流分布特性的影响规律。最后,建立了并联IGBT芯片的等效电路模型,并应用Synopsys Saber软件建立了仿真电路,从封装寄生电感参数差异性、封装寄生电阻参数差异性,分析了参数差异对并联芯片的瞬态电流分布特性的影响。     

牵引变流器中6500 V场终止IGBT的物理场仿真研究

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)凭借其优异的载流和抗压能力,在牵引变流器中得到了广泛的应用.通过仿真研究了解其动态特性,对于保障其自身和系统的运行稳定性和可靠性具有重要意义.针对牵引变流器用大功率IGBT封装模块,在分析IGBT工作原理和特性的基础上,充分...     

IGBT的数理仿真模型及其参数辨识

IGBT在电力电子系统中的应用越来越广泛。在设计电路时,采用一般的等值电路模型很难获得精确的仿真波形,使制成实际装置后不出现预想不到的故障。在IGBT的一类数理模型及PACTE仿真软件的基础上,提出一种基于实验测量、仿真及优化算法的模型参数辨识方法。给出了静态参数和动态参数的辨识结果,并提出验证模型参数有效应用范围的方法,最后给出了有效性验证结果。     

考虑线路运行环境的牵引变流器IGBT寿命评估

列车在行驶的过程中其自身的运行工况和外界的环境工况都在发生变化.IGBT作为列车变流器的核心器件,列车自身的运行工况会影响变流器的运行工况进而影响IGBT的寿命,环境工况会影响变流器的散热进而影响IGBT的寿命.从牵引计算的角度,考虑速度、加速度、坡度等因素,搭建了电仿真模型;从热计算的角度,考虑变流器散热方式、环境温...     

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) modeling using IG-SPICE

A physics-based model for the insulated gate bipolar transistor (IGBT) is implemented into the widely available circuit simulation package IG-SPICE. Based on analytical equations describing the semiconductor-physics, the model accurately describes the nonlinear junction capacitances, moving boundaries, recombination, and carrier scattering, and effectively predicts the device conductivity modulation. In this paper, the procedure used to incorporate the model into IG-SPICE and various methods necessary to ensure convergence are described. The effectiveness of the SPICE-based IGBT model is demonstrated by investigating the static and dynamic current sharing of paralleled IGBTs with different device model parameters. The simulation results are verified by comparison with experimental results     

翅柱式IGBT水冷散热器的热仿真与实验

为分析翅柱式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)水冷散热器的换热性能,利用Hyper Mesh软件对IGBT元件和完整散热器建立高质量的网格,通过FLUENT软件计算得到了水冷散热器内部槽道的流速分布、IGBT元件与水冷散热器的温度场分布。为验证仿真方法的可行性,建立了水冷测试系统进行温升实验。考虑到IGBT元件不能长时间工作在极限工况,损耗特性与结温互相影响以及内部芯片结温不便测量等问题,实验中采用了自制的模拟热源代替IGBT元件。以实验条件作为输入参数,建立模拟热源与水冷散热器的网格模型并求解计算,对比分析表明水冷散热器安装面上测温点仿真结果与实验数据的相对误差在4%以内。     

MMC子模块中IGBT等效模型的仿真验证

RTDS（real time digital simulation）上小步长仿真模块对开关元件的数量有严格的限制,而模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的每个子模块都有2个电力电子开关元件IGBT。随着系统容量的不断增加,如何在有限的硬件资源中实现多电平系统的仿真成为实时仿真系统的瓶颈。对如何在RTDS大步长的环境中建立正确的IGBT元件等效模型进行了分析,根据IGBT在MMC子模块（sub-module,SM）中的工作原理,采用开关函数建立IGBT的等效数学模型。该模型能够有效减小仿真占用的资源,扩大仿真容量,在大步长环境下能够正确表征IGBT的运行特性。采用Matlab验证了所建立的IGBT模型的可行性和正确性。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。