楊 清，王連春，遲振祥

(國防科技大學，湖南 長沙 410073)

0 引 言

目前越來越多的城市考慮將中低速磁浮列車作為市內公共交通工具。磁浮列車具有以下優(yōu)點：運行安靜，不影響附近居民生活生產；清潔節(jié)能；爬坡能力強，轉彎半徑小，更適合城市的復雜地形；磁浮列車不會與軌道直接接觸，大大減少軌道維護費用等。磁浮列車具有上述輪軌列車所不具備的眾多優(yōu)點，因此，磁浮列車是具有長久發(fā)展前景的一種市內公共交通工具。隨著磁浮列車的使用越來越廣泛，磁浮列車的運行性能安全也受到前所未有的重視[1]。

懸浮斬波器是磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)中的重要部分，在一般的電力電子變流器中，功率器件及其驅動電路故障占變流裝置所有故障的比例最大，懸浮斬波器的可靠性是由各個元件的可靠性及其拓撲結構的可靠性綜合決定的。絕緣柵極晶體管(IGBT)是磁浮列車懸浮控制機箱中斬波器的重要組成元件。IGBT是一種重要的功率半導體器件，是在GTR和MOSFET器件基礎上取長補短而成的復合器件。IGBT因為其開關頻率高并且具有較好的耐壓能力而應用在磁浮列車的懸浮控制工程中。除此之外，IGBT還具有驅動功率小、驅動電路簡單、導通時飽和壓降低等特點，使得其在工程應用中受到重視，且應用場景廣泛[2]。目前IGBT廣泛使用于軌道交通、新能源發(fā)電、電動汽車、艦艇、飛機中。在實際工程中，因為IGBT的燒損帶來故障的比例居高不下，因此本課題對于IGBT的應用具有實際意義以及工程價值[3]。

因此，工程師們很關心IGBT的各項性質及其仿真模型，因為中高功率IGBT器件的價格高，進行實物調試的開發(fā)周期很長，如果在調試過程中有燒損，將增加項目成本。對IGBT的計算機仿真包括其靜態(tài)特性、動態(tài)特性的擬合，目前比較著名的有Henfer模型[4]。如果有一個能夠準確描述IGBT動靜態(tài)特性的計算機仿真模型，便可以低成本快速得到指定型號IGBT的工作特性，以及其在工作電路中的特性指標，甚至嘗試IGBT工作的極端條件電路試驗，并能夠在不損害IGBT的情況下計算IGBT的功率損耗甚至IGBT的預期使用壽命。尤其是關于IGBT的可靠性分析方面的試驗，更能體現出計算機仿真模型的高性價比和實效性。所以使用IGBT仿真模型作為試驗的先驗數據，能夠為開發(fā)者節(jié)約大量的時間和成本[5]。最常用的電路仿真計算機軟件有PSpice和MATLAB，其中PSpice的元件庫中并沒有現成的IGBT模型，而MATLAB中雖然有IGBT模型，但也只是粗淺地將它作為開關元件，并不能在仿真電路中設置IGBT特性參數以及反映IGBT工作中的靜態(tài)特性與動態(tài)特性，且MATLAB中IGBT模塊型號極少，其可調節(jié)參數也很少，并不適合針對特定工程對象進行仿真。而且通過查閱資料可以明確得知PSpice的電路仿真精度高于MATLAB[6]。

本課題使用仿真軟件PSpice對IGBT進行電路分析。PSpice不僅可視化界面友好，學習成本低，并且PSpice對電路的算法先進，仿真結果精確?，F有的IGBT計算機模型遠不能滿足開發(fā)需求，PSpice元件庫中擁有眾多算法優(yōu)秀的基礎元件模型，這些模型能夠較好地體現出自身在電路中的重要工程特性，忽略瑣碎微弱的其他物理特征，這使得使用PSpice仿真平臺需要考慮設置的參數不多，因此使用PSpice軟件作為項目的仿真平臺構造的IGBT模型可以更加靈活，能夠對多種IGBT的模型進行擬合，并且更加準確地反映IGBT在電路開關過程的電壓變化情況[7]。

1 IGBT基本構成

首先分析IGBT內部結構特點。IGBT大致分成4層結構，其內部存在一個寄生晶閘管，等效電路如圖1所示[6]。

圖1 IGBT結構

如圖1所示，IGBT整體結構由MOSFET(N溝道型)和GTR部分(PNP型)組成。該結構稱為達靈林頓結構，在此結構中，MOSFET作為驅動元件并且GTR作為主導元件。IGBT的等效電路如圖2所示，其中RS為NPN管中B極與E極之間產生的體區(qū)短路電阻，NPN管P型區(qū)中的橫向空穴定向移動會產生壓降，這對J3結而言等效為一個正偏置電壓。在相應的IC工作區(qū)間中，產生的正偏置電壓不足以使得NPN管導通。如果IC的數值超過相應區(qū)間，產生的正偏置電壓使得NPN管導通，并且NPN和PNP管都達到飽和態(tài)，就會致使寄生晶閘管導通，從而柵極失去作用，形成擎住效應，這將導致IC增大，形成超出閾值的功耗，甚至會損毀器件[8]。

圖2 IGBT等效電路

IGBT模塊是大功率變流器的關鍵器件。IGBT功率模塊具有不同的尺寸、外形和功能，而且近年來發(fā)展得更緊湊、低成本和可靠。圖3展示了一個標準的IGBT模塊的3D視圖和剖面圖。

以型號為FF300R07KE4的工業(yè)IGBT模塊為例[9]，如圖3所示，IGBT結構主要由芯片、直接敷銅，陶瓷基板和底板構成，層間通過焊料焊接。

圖3 標準IGBT模塊結構圖

IGBT有5種工作狀態(tài)，分別是導通、關斷、正向阻斷、反向阻斷、以及閂鎖[9]。

(1)導通:當電壓UGE>UGE(th)時，IGBT柵極形成溝道，N+區(qū)自由電子通過溝道進入N-漂移區(qū)，同時也向N-區(qū)進入空穴，基極電流由PNP晶體管提供，IGBT正向導通。

(2)關斷:當UGE=0

(3)正向阻斷:UCE>0，UC>Uth時未形成溝道，此時J3受到反向電壓的控制，UCE增大,IC會變大，IGBT正向阻斷。

(4)反向阻斷:UCE<0，J3反偏，此時IGBT反向阻斷。此時IGBT導通性能受其內部二極管特性影響。

(5)閂鎖:在特殊條件下，C極與E極之間的晶閘管導通，這種現象叫做閂鎖。閂鎖電流對器件的電流增益有一定的影響。

清楚了單管IGBT仿真模型電路中每個基礎元器件在IGBT中所扮演的角色，就可以通過調節(jié)仿真模型中元器件的數值和結構來改變IGBT模塊的一些特性。

2 IGBT功率損耗

IGBT的功率損耗包括開關損耗和導通損耗2個部分(如圖4所示)，其中在器件開關頻率很高的情況下，導通損耗的數值要遠遠小于開關損耗[8]:

圖4 IGBT開關過程示意圖

PI=PIC+PIS

(1)

式中：PI為IGBT在一個開關周期的平均功率損耗；PIC為IGBT在開關周期內的平均導通損耗；PIS為IGBT在開關周期內的平均開關損耗。

PIC相較PIS小很多，尤其在器件開關頻率很高情況下。

開關損耗包括[10-12]：開通損耗和關斷損耗，損耗產生的主要原因在于通過集電極的電流IC和集射極之間電壓UCE共同作用的結果。

對于開關損耗的理論計算模型為：

開通損耗：

(2)

關斷損耗：

(3)

式中：Pon為開通損耗功率；Poff為關斷損耗功率；ton為開通時間；toff為關斷時間；IC為集電極電流；U為集射極電壓。

IGBT導通器件有效電壓以及有效電流均不為0，因此會存在功率損耗[13-14]。

導通損耗：

Pcond_IGBT=UceIC

(4)

Pcond_FWD=VFIF

(5)

式中：Pcond_IGBT為IGBT的導通損耗功率；Pcond_FWD為FWD(反向并聯(lián)二極管)的導通損耗功率；Uce為IBGT在大電流下的飽和壓降；VF為二極管在大電流下的導通壓降；IC、IF為器件導通時的有效電流。

3 IGBT的PSpice仿真

通過FF300R07KE4工業(yè)IGBT模塊的說明文檔可找到IGBT元件的基本電路示意圖，如圖5所示。

圖5 FF300R07KE4 IGBT模塊

此IGBT模塊擁有2個IGBT核心，屬于雙管IGBT結構。這是一款在大型高功率用電設備中常使用的元件。

在PSpice繪圖面板中的靜態(tài)模型電路圖如圖6所示。

圖6 PSpice靜態(tài)特性模型

模型中各部分組成：

(1) MOSFET模型和GTR模型：選擇同種溝道的MOSFET模型作為電路驅動，MOSFET模型多用于小尺寸MOS器件，根據待仿真的IGBT具體性能選擇仿真元件參數；GTR模型采用雙極結型晶體管，該模型是正向和反向晶體管疊加。

(2) 電流控制電壓源：當IGBT導通時，N+區(qū)向N-區(qū)注入大量空穴。N-區(qū)電子濃度的增加，使得N-區(qū)電子與空穴濃度平衡，提高漂移區(qū)導電能力，使得導通狀態(tài)下IGBT的壓降很低。模擬IGBT的電導調制效應，所以設置一個電流控制電壓源H元件，通過電導調制確定互阻數值，并利用集電極電流作為輸入。

(3) Dad和Dbe：IGBT存在擊穿特性，導致GTR模型無法被精確的反映，通過在IGBT靜態(tài)仿真模型中加入Dad和Dbe2個二極管來體現GTR和MOSFET的擊穿特性，同時可以增加通過MOSFET的電流。Dad可以體現MOSFET的D極與S極之間的擊穿電壓，Dbe則能夠體現GTR的B-E極之間反向擊穿電壓。如果只關注IGBT的電流電壓特性，那么去掉這2個二極管也不會有明顯變化。

(4) 通過調節(jié)Re、Rg、Rc的數值對IGBT的啟動電壓進行改變。Rs是MOSFET的源極寄生電阻。

雖然已經建立了仿真模型，但是為了更好地仿真出IGBT的期望特性，需要重新配置PSpice平臺GTR和MOSFET結構中的模型參數。IGBT靜態(tài)特性的基本參數主要取決于GTR模型的參數，而且IGBT的開關時間也由GTR對應參數決定。針對圖6建立的IGBT靜態(tài)特性仿真模型，根據待仿真IGBT特性配置的GTR模型參數有:

(1) IGBT正向電流，受GTR的C極電流變化曲線影響；

(2) IGBT正向特性，受GTR結電壓與其電流變化的曲線影響；

(3) IGBT的飽和電壓，受GTR飽和電壓UCE(sat)與其集電極電流的相關關系影響；

(4) GTR正向電流放大倍數，不要取到最大值；

(5) IGBT輸出電導值,受到GTR輸出導納值影響；

(6) IGBT的存儲時間、EB電容、CB電容選擇默認值或較小值。

得到的IC-VC(E)輸出圖像如圖7所示。

圖7 IC-VC(E)輸出曲線

此圖像與IGBT模塊說明書中IGBT核心的靜態(tài)輸出曲線能夠比較好地對應，說明此IGBT的電路結構能夠有比較好的靜態(tài)特性擬合。

在PSpice的繪圖面板中繪制IGBT的動態(tài)特性模型，如圖8所示。

圖8 PSpice動態(tài)特性仿真模型

得到的動態(tài)開關特性曲線IC-VC(E)如圖9所示。

圖9 動態(tài)開關特性曲線

針對圖9進行關斷損耗計算：

IC關斷期間的擬合函數為：y=-25 000x+60 000；VC關斷期間的擬合函數為：y=3 000x-6 600；關斷時間0.2 μs。

通過上文關斷損耗功率的計算公式對其進行積分計算，得到關斷時刻功耗為100 mJ，其數值合理。

可以在這個模型基礎上建立雙核心IGBT的特性仿真電路圖，如圖10所示。

圖10 雙管IGBT模型仿真圖形

得到波形如圖11所示。對照FF300R07KE4型號IGBT的工作狀態(tài)，此動態(tài)輸出曲線合理。

圖11 雙管IGBT動態(tài)輸出曲線

這個模型將能進行型號FF300R07KE4工業(yè)IGBT模塊的一些動態(tài)上的特性仿真，在進行相關的電路設計上提供一些數據支持。對其進行各種動態(tài)開關特性計算(功率損耗計算)的方法同前文。

4 結束語

IGBT作為目前被廣泛使用的高功率器件，一直受到工程師們的關注。尤其是IGBT種類型號豐富，拓撲結構多樣，而目前電力電子仿真軟件的元件庫又比較匱乏，因此設計一個比較精準的工程可用的IGBT計算機模型可以幫助工程師節(jié)約開發(fā)資金以及降低開發(fā)周期，而且計算機仿真可以減少IGBT模塊進行類似開關損耗這種對使用壽命有較大影響的試驗。本文提供的PSpice軟件平臺的IGBT仿真模型能夠較好地與相應型號IGBT模塊的靜態(tài)特性與動態(tài)特性曲線相對應，并且通過仿真得到的IGBT功率損耗也是合理數值。因此，可以使用此IGBT模型進行工程電路仿真，為工程中IGBT帶來的功率損耗提出參考數值。