用于混合动力和纯电动汽车的IGBT大功率电子系统建模

独立咨询与调查公司IDTechEX公司认为，到2025年还没有推出吸引人的电动汽车产品的公司将“注定被淘汰出局。”其实说这话一点也不让人感到惊讶，因为今天混合动力和纯电动汽车(H/EV)市场正经历着空前的增长和创新。
我就职的Magna Electronics公司专注于通过为牵引驱动和控制应用提供工程、集成和创新解决方案支持这个新兴的混合动力/纯电动汽车市场，其中包括设计逆变器、直流直流转换器、电动机、电池管理系统和其它关键元器件(图1)。


图1：用于混合动力/纯电动汽车市场的电动机和逆变器。

功率半导体器件和模块是每个电源逆变器的关键器件。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块则常被用于中高功率应用，如混合动力/纯电动汽车逆变器，因为它们具有高压大电流能力。IGBT是逆变器设计中的关键器件，因为该器件的特性决定了逆变器的行为和外围电路。

通过仿真改进设计
一般来说，改变一个设计或在实验室验证电路功能是非常耗时并且代价高昂的一件事。电路仿真为电气工程师提供了一种更高效的设计方式。
我们可以根据相关数据手册用Saber Model Architect建立IGBT模块的静态和动态行为的模型。可以用扫描工具将曲线输入Saber，同时调整定位点以匹配曲线。关键要求是表征IGBT的动态行为，包括结点电容、拖尾电流和续流二极管的反向恢复行为，以匹配导通/关断延时和上升下降时间。通过调整关键参数可以使模型用于不同的电路设计，从而极大地推进产品开发过程。
建模IGBT以便完全匹配测试结果是很难的。主要问题之一是，器件特性非常不线性。此时Saber就很有用了，它能通过提供支持来优化困难的模型。而确认电路中的寄生参数也很难，因为开关行为取决于器件本身和电路的寄生参数。尤其是电源电路中的杂散电感可能在关断时引起电压过冲，而栅极驱动电路中的寄生参数会影响开关速度。不过，通过多次反复调整电路可能取得良好匹配。
下面重点介绍了两种不同的IGBT应用，它们足以说明精确IGBT分析的好处。 
     
过冲电压保护
对于任何工业产品来说，可靠性是最重要的问题之一。IGBT栅极驱动电路板中有各种保护措施，可防止IGBT受到过压、过流或过温的破坏。这种应用与IGBT模块的电压保护功能有关。当负载出现短路时，电流会瞬时增加到几千安培。电路中的过流保护部分一旦检测到大电流会立即关断IGBT。然而，快速的电流变化率作用于电路中的寄生电感后会在晶体管中产生过冲电压(图2)。这个电压如果没有被钳位将损坏器件。


图2：诸如电机驱动或逆变器等开关应用在IGBT关断时会产生过冲电压(图中的蓝线)。


保护电路通过检测Vce开启反馈电路。保护电路正确工作的关键因素之一是IGBT模块的关断延时和下降时间，这正是精确的IGBT模型之所以重要的原因。其它重要因素是选择保护电路中的元件，确保反馈时间满足要求。在本例中，目标是使Vce保持在550V以下。图3中的红色是在没有保护的情况下IGBT关断时的过冲电压。蓝线和绿线显示了通过改变控制环路和栅极驱动器中的延时而发生的不同行为。使用驱动电路的Saber或Spice模型可以确保整个仿真模型的精度。[page]


图3：利用仿真理解改变保护电路内器件参数而发生的效应。


精确的Saber模型有助于验证所设计的电路的功能、选择正确的元件和调整参数。通过在实现硬件之前使用仿真可以显著节省时间，降低工程成本。 
   
传导性电磁干扰(EMI)的预测
每个电源电路中都存在传导辐射。他们发生的原因是快速变化的开关电流或电压，这在脉动电路中是很常见的。EMI方面感兴趣的频率范围通常是从100kHz至100MHz。
电源电路中的脉动电流或电压看起来像图4a中的方波。方波的快速傅里叶变换(FFT)分析见图4b。频谱衰减取决于方波的两个因素：与脉冲宽度有关的第一个交越频率，与方波的上升和下降时间有关的第二个角频率。因此我们需要建模IGBT模型的上升和下降时间，因为它们影响分析结果。


图4a：信号被建模为梯形波形。波形持续时间(t0)确定了第一个角频率，上升或下降时间(Tr或Tf)确定了第二个角频率。

图4b：相应的频谱。


图5显示了具有不同开关速度的器件模型分析结果。蓝色波形显示的是开关时间为50ns的理想开关，而红色波形显示的是实际IGBT模型。这两个波形在高频范围内有很明显的差别。


图5：比较理想开关(蓝色)和精确IGBT模型(红色)的频率响应。
    
本文小结
用Saber进行精确的IGBT器件建模有助于开发逆变器产品，包括栅极驱动器电路板设计和EMI滤波器设计。搭建硬件一般要花6到12个月时间，但仿真可以在任何原型创建之前达到设计优化的目的。仿真有助于：
发现潜在的问题
理解系统行为
验证解决方案和功能
加快设计进程
降低成本
提高效率
虽然本文只是简单介绍了两种应用，但Saber可以用于仿真许多电路和子系统，分析各种控制电路板的EMI。