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用于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)的IGBT大功率電子系統建模
作者：
時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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獨立咨詢(xún)與調查公司IDTechEX公司認為，到2025年還沒(méi)有推出吸引人的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品的公司將“注定被淘汰出局。”其實(shí)說(shuō)這話(huà)一點(diǎn)也不讓人感到驚訝，因為今天混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)(H/EV)市場(chǎng)正經(jīng)歷著(zhù)空前的增長(cháng)和創(chuàng )新。
我就職的Magna Electronics公司專(zhuān)注于通過(guò)為牽引驅動(dòng)和控制應用提供工程、集成和創(chuàng )新解決方案支持這個(gè)新興的混合動(dòng)力/純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，其中包括設計逆變器、直流直流轉換器、電動(dòng)機、電池管理系統和其它關(guān)鍵元器件(圖1)。
圖1：用于混合動(dòng)力/純電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的電動(dòng)機和逆變器。
功率半導體器件和模塊是每個(gè)電源逆變器的關(guān)鍵器件。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊則常被用于中高功率應用，如混合動(dòng)力/純電動(dòng)汽車(chē)逆變器，因為它們具有高壓大電流能力。IGBT是逆變器設計中的關(guān)鍵器件，因為該器件的特性決定了逆變器的行為和外圍電路。
通過(guò)仿真改進(jìn)設計
一般來(lái)說(shuō)，改變一個(gè)設計或在實(shí)驗室驗證電路功能是非常耗時(shí)并且代價(jià)高昂的一件事。電路仿真為電氣工程師提供了一種更高效的設計方式。
我們可以根據相關(guān)數據手冊用Saber Model Architect建立IGBT模塊的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為的模型?？梢杂脪呙韫ぞ邔⑶€(xiàn)輸入Saber，同時(shí)調整定位點(diǎn)以匹配曲線(xiàn)。關(guān)鍵要求是表征IGBT的動(dòng)態(tài)行為，包括結點(diǎn)電容、拖尾電流和續流二極管的反向恢復行為，以匹配導通/關(guān)斷延時(shí)和上升下降時(shí)間。通過(guò)調整關(guān)鍵參數可以使模型用于不同的電路設計，從而極大地推進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。
建模IGBT以便完全匹配測試結果是很難的。主要問(wèn)題之一是，器件特性非常不線(xiàn)性。此時(shí)Saber就很有用了，它能通過(guò)提供支持來(lái)優(yōu)化困難的模型。而確認電路中的寄生參數也很難，因為開(kāi)關(guān)行為取決于器件本身和電路的寄生參數。尤其是電源電路中的雜散電感可能在關(guān)斷時(shí)引起電壓過(guò)沖，而柵極驅動(dòng)電路中的寄生參數會(huì )影響開(kāi)關(guān)速度。不過(guò)，通過(guò)多次反復調整電路可能取得良好匹配。
下面重點(diǎn)介紹了兩種不同的IGBT應用，它們足以說(shuō)明精確IGBT分析的好處。
過(guò)沖電壓保護
對于任何工業(yè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可靠性是最重要的問(wèn)題之一。IGBT柵極驅動(dòng)電路板中有各種保護措施，可防止IGBT受到過(guò)壓、過(guò)流或過(guò)溫的破壞。這種應用與IGBT模塊的電壓保護功能有關(guān)。當負載出現短路時(shí)，電流會(huì )瞬時(shí)增加到幾千安培。電路中的過(guò)流保護部分一旦檢測到大電流會(huì )立即關(guān)斷IGBT。然而，快速的電流變化率作用于電路中的寄生電感后會(huì )在晶體管中產(chǎn)生過(guò)沖電壓(圖2)。這個(gè)電壓如果沒(méi)有被鉗位將損壞器件。
圖2：諸如電機驅動(dòng)或逆變器等開(kāi)關(guān)應用在IGBT關(guān)斷時(shí)會(huì )產(chǎn)生過(guò)沖電壓(圖中的藍線(xiàn))。
保護電路通過(guò)檢測Vce開(kāi)啟反饋電路。保護電路正確工作的關(guān)鍵因素之一是IGBT模塊的關(guān)斷延時(shí)和下降時(shí)間，這正是精確的IGBT模型之所以重要的原因。其它重要因素是選擇保護電路中的元件，確保反饋時(shí)間滿(mǎn)足要求。在本例中，目標是使Vce保持在550V以下。圖3中的紅色是在沒(méi)有保護的情況下IGBT關(guān)斷時(shí)的過(guò)沖電壓。藍線(xiàn)和綠線(xiàn)顯示了通過(guò)改變控制環(huán)路和柵極驅動(dòng)器中的延時(shí)而發(fā)生的不同行為。使用驅動(dòng)電路的Saber或Spice模型可以確保整個(gè)仿真模型的精度。
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