電力電子開(kāi)關(guān)單元的仿真研究

0電力器件實(shí)時(shí)仿真電力器是能源電子裝置的基礎(chǔ)，其性能限制了能源系統(tǒng)中能源電子裝置的性能。當(dāng)前,電力電子裝置的實(shí)時(shí)仿真研究已經(jīng)展開(kāi),但這些實(shí)時(shí)仿真將電力電子器件視為理想開(kāi)關(guān),這種簡(jiǎn)化固然不影響系統(tǒng)級(jí)的仿真精度,但并不能預(yù)測(cè)電力電子器件的工作特性。而電力電子器件的電壓尖峰、電流尖峰、開(kāi)關(guān)損耗等工作特性非常突出,這些問(wèn)題恰恰是威脅電力電子器件乃至電力系統(tǒng)可靠性的重要因素。絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)具有驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電流大、功率損耗小等優(yōu)點(diǎn),是目前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的電力電子器件。本文以IGBT構(gòu)成電力電子電路的基本開(kāi)關(guān)單元為例,進(jìn)行電力電子器件的實(shí)時(shí)仿真研究。電力電子器件的模型有物理模型和功能模型2種。物理模型在物理本質(zhì)上揭示載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,模型精度較高,但大多數(shù)生產(chǎn)商并不提供器件的物理參數(shù),且仿真速度慢,不適用于實(shí)時(shí)仿真。功能模型將器件內(nèi)部視為一個(gè)“黑匣子”,按照仿真功能的需要從元件的外部電特性出發(fā)構(gòu)造模型,雖然精度不如物理模型高,但參數(shù)易提取,仿真速度快,適合用于實(shí)時(shí)仿真。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法對(duì)電力電子器件開(kāi)展了功能模型研究。文獻(xiàn)采用線性化的方法,但沒(méi)有考慮器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓尖峰和電流尖峰。文獻(xiàn)采用分段解析函數(shù)的方法,但將續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流峰值視為恒定值。文獻(xiàn)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法,但對(duì)于不同型號(hào)的器件,需要搭建不同的實(shí)驗(yàn)電路。本文根據(jù)IGBT和電力二極管的開(kāi)關(guān)特性和換流過(guò)程,建立IGBT和電力二極管的換流模型,從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取參數(shù),采用分段插值的方法,建立IGBT的實(shí)時(shí)仿真功能模型,參數(shù)易于獲取,并且能夠在很大的電壓和電流范圍內(nèi)對(duì)電力電子器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行仿真。1基本開(kāi)關(guān)單元的模型建立文獻(xiàn)提出用替代定理來(lái)說(shuō)明功能模型,用電壓源或電流源替代電力電子器件,并提出了電壓源和電流源的選取原則和確定方法:選取的電壓源和電流源必須獨(dú)立,且選為電壓源時(shí)需保證連續(xù),選為電流源時(shí)需保證導(dǎo)數(shù)連續(xù)。本文在建立電力電子器件的功能模型時(shí)也借鑒了這一思想,并對(duì)文獻(xiàn)所建模型進(jìn)行了改進(jìn),去掉了IGBT雜散并聯(lián)電容,使模型更加便于仿真計(jì)算。本文以IGBT構(gòu)成電力電子電路的基本開(kāi)關(guān)單元為研究對(duì)象,建立IGBT和電力二極管的功能模型。基本開(kāi)關(guān)單元如圖1(a)所示,包括一個(gè)IGBT、電力二極管、電壓源和電流源,其中,電壓源和電流源為電壓源型電路和電流源型電路的替代,圖中:S為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在換流瞬間認(rèn)為U和I保持不變,在開(kāi)關(guān)過(guò)程中IGBT的電流波形相對(duì)簡(jiǎn)單,因此選為電流源;根據(jù)選取的電壓源和電流源必須獨(dú)立的原則,電力二極管選為電壓源;IGBT和電力二極管分別用受S控制的電流源和電壓源替代;同時(shí),考慮了線路的雜散電感LS1,LS2,等效電路如圖1(b)所示。列寫(xiě)基爾霍夫電壓和電流方程,有式中:iC為IGBT的集電極電流;uR為二極管的反向電壓;iF為二極管的正向電流;uCE為IGBT的集射極電壓。由式(2)解得,二極管電流iF=I-iC,代入式(1),有令LS=LS1+LS2,則等效電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖1(c),解得IGBT柵射極間電壓為:可見(jiàn),只要給出受控的電流iC和電壓uR,便可以求得iF和uCE。下面分別從IGBT開(kāi)通和關(guān)斷2個(gè)過(guò)程,采用分段插值的方法建立基本開(kāi)關(guān)單元的器件模型。其基本思想是:假設(shè)已知開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流波形上的一些關(guān)鍵點(diǎn),如起始點(diǎn)、極值點(diǎn)、拐點(diǎn)、不可導(dǎo)點(diǎn),然后用簡(jiǎn)單解析函數(shù)分段描述開(kāi)關(guān)電壓電流波形。2基本開(kāi)關(guān)單元的功能模型基本開(kāi)關(guān)單元的開(kāi)關(guān)過(guò)程分為IGBT的開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程,其功能模型從IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷2個(gè)過(guò)程分別建立。2.1igbt的電流上升及恢復(fù)過(guò)程圖2為IGBT的開(kāi)通過(guò)程模型。在t=t0(on)時(shí)刻驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)通。IGBT的開(kāi)通過(guò)程也是電力二極管的關(guān)斷過(guò)程,由于電力二極管反向恢復(fù)過(guò)程的存在,IGBT的集電極電流iC在開(kāi)通過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電流尖峰。IGBT的開(kāi)通過(guò)程主要分為4個(gè)階段:開(kāi)通延遲階段[t0(on),t1(on)]、電流上升階段[t1(on),t2(on)]、反向恢復(fù)階段1[t2(on),t3(on)]和反向恢復(fù)階段2[t3(on),t5(on)]。由圖2可以得到部分階段時(shí)刻的表達(dá)式為:式中:trr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間;kD為常數(shù),且0<kD<1。下面對(duì)各階段IGBT的集電極電流iC和電力二極管的反向電壓uR進(jìn)行插值。1)開(kāi)通延遲階段:IGBT仍處于關(guān)斷狀態(tài),電力二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài),漏電流和通態(tài)壓降數(shù)值較小,予以忽略,視為0,即iC=0,uR=0。2)電流上升階段:IGBT的集電極電流iC從0上升至其幅值I,電力二極管的正向電流iF相應(yīng)減小但仍然處于導(dǎo)通狀態(tài),uR=0。根據(jù)電流導(dǎo)數(shù)連續(xù)的原則,IGBT的集電極電流iC用經(jīng)過(guò)點(diǎn)1(t1(on),0),點(diǎn)2(t0(on)+td(on),0.1I),點(diǎn)3(t0(on)+td(on)+tr,0.9I)和點(diǎn)4(t2(on),I)并且在點(diǎn)1處的導(dǎo)數(shù)為0的二次函數(shù)進(jìn)行插值,得到:式中:a1(on)為系數(shù)。結(jié)合器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中IGBT開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)(從驅(qū)動(dòng)電壓uGE的前沿上升至其幅值的10%到集電極電流iC上升至其幅值的10%的時(shí)間)和電流上升時(shí)間tr(iC從其幅值的10%上升至90%的時(shí)間),在建立基本開(kāi)關(guān)單元的器件模型時(shí),認(rèn)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)S電平變化的時(shí)間為0,可以推導(dǎo)出系數(shù)a1(on)和階段時(shí)刻t1(on)和t2(on),即代入式(7)有:3)反向恢復(fù)階段1:IGBT電流由于電力二極管的反向恢復(fù)過(guò)程繼續(xù)上升,由其幅值I升至其峰值I+IRM,但上升速率變慢,電力二極管反向電壓uR從0上升至其幅值U。IGBT電流用經(jīng)過(guò)點(diǎn)4(t2(on),I)和點(diǎn)5(t3(on),I+IRM),并在點(diǎn)5導(dǎo)數(shù)為0的二次函數(shù)進(jìn)行插值,得到:為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定電力二極管反向恢復(fù)電流峰值IRM與正向電流I呈比例關(guān)系,即,則由電力二極管在額定電流IFN下的反向恢復(fù)電流峰值IRMN,可以得出。IGBT電流可以進(jìn)一步表示為:電力二極管反向電壓uR用經(jīng)過(guò)點(diǎn)8(t2(on),0)和點(diǎn)9(t3(on),U)的一次函數(shù)進(jìn)行插值,得到:即4)反向恢復(fù)階段2:IGBT集電極電流iC隨電力二極管反向恢復(fù)電流的下降而由其峰值I+IRM下降至其幅值I,由于線路雜散電感的存在,電感兩端將感應(yīng)出反向壓降,并與電壓源U一起作用于電力二極管上,在二極管兩端產(chǎn)生電壓尖峰。遵循電流連續(xù)的原則,IGBT電流分兩段,即[t3(on),t4(on)]和[t4(on),t5(on)],用經(jīng)過(guò)點(diǎn)5(t3(on),I+IRM),點(diǎn)6(t4(on),I+IRM/2)和點(diǎn)7(t5(on),I)并且在點(diǎn)5和點(diǎn)7導(dǎo)數(shù)為0的二次函數(shù)進(jìn)行插值。其中t4(on)=t3(on)+(1-kD)trr/2。在[t4(on),t5(on)]上的插值函數(shù)為:二極管反向電壓uR=U-LSdiC/dt,則在[t3(on),t4(on)]上,有t5(on)之后,IGBT處于開(kāi)通狀態(tài),二極管處于關(guān)斷狀態(tài),iC=I,uR=U。2.2igbt集電極電流和電力電極反向電壓ur模型圖3為IGBT關(guān)斷過(guò)程模型。在t=t0(off)時(shí)刻驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)通。IGBT的關(guān)斷過(guò)程也是電力二極管的開(kāi)通過(guò)程,這個(gè)過(guò)程主要分為3個(gè)階段:關(guān)斷延遲階段[0,t1(off)]、電壓上升階段[t1(off),t2(off)]和電流下降階段[t2(off),t4(off)]。由圖3可以得出部分階段時(shí)刻的表達(dá)式為:式中:kud為常數(shù),且0<kud<1;td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間,從驅(qū)動(dòng)電壓uGE的后沿下降至其幅值的90%到集電極iC下降至其幅值的90%的時(shí)間,在計(jì)算td(off)時(shí),采取與開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)相同的方法。1)關(guān)斷延遲階段:IGBT仍處于開(kāi)通狀態(tài),電力二極管仍處于關(guān)斷狀態(tài),iC=I,uR=U。2)電壓上升階段:IGBT電壓從0增大到其幅值U,電力二極管反向電壓相應(yīng)減小并仍然關(guān)斷,IGBT電流保持其幅值I不變,即iC=I。電力二極管反向電壓用經(jīng)過(guò)點(diǎn)3(t1(off),U)和點(diǎn)4(t2(off),0)的一次函數(shù)進(jìn)行插值,得到:3)電流下降階段:IGBT集電極電流iC從其幅值I下降至0,電力二極管電流iF相應(yīng)上升,遵循電流導(dǎo)數(shù)連續(xù)的原則,IGBT電流分兩段用二次函數(shù)進(jìn)行插值。在[t3(off),t4(off)](t4(off)=t3(off)+1.5tf,其中tf為電流下降時(shí)間,集電極電流iC從其幅值的90%下降至10%所需時(shí)間)上,類比于開(kāi)通過(guò)程IGBT電流上升階段,有在[t2(off),t3(off)]上,用經(jīng)過(guò)點(diǎn)1(t2(off),I),點(diǎn)2(t3(off),0.9I)并在點(diǎn)1導(dǎo)數(shù)為0,在點(diǎn)2導(dǎo)數(shù)與在[t3(off),t4(off)]上相等的二次函數(shù)進(jìn)行插值,得到:忽略電力二極管正向恢復(fù)過(guò)程,則電力二極管反向電壓,uR=0。t4(off)之后,IGBT處于關(guān)斷狀態(tài),電力二極管處于開(kāi)通狀態(tài),iC=0,uR=0。綜上所述,IGBT集電極電流iC和電力二極管反向電壓uR的模型為:可以看出,該模型為工作電壓U、工作電流I和時(shí)間t的函數(shù),只要給定U,I和驅(qū)動(dòng)信號(hào)S發(fā)生電平跳變的時(shí)刻,便可以確定IGBT的集電極電流iC和電力二極管的反向電壓uR,進(jìn)而得出IGBT集射極間電壓uCE和電力二極管的正向電流iF。iC用二次函數(shù)進(jìn)行插值,uR用一次函數(shù)進(jìn)行插值,具有較快的計(jì)算速度,可以滿足實(shí)時(shí)仿真的要求。3開(kāi)關(guān)損耗仿真在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray,FPGA)中對(duì)模型進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真,IGBT和電力二極管的型號(hào)為三菱公司的IGBT模塊CM1200DC-34N,雜散參數(shù)LS=100nH,工作點(diǎn)U=850V,I=600A,IGBT和電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程的仿真結(jié)果見(jiàn)附錄A圖A1。IGBT模塊的開(kāi)關(guān)電壓、電流得到以后,可以通過(guò)積分運(yùn)算獲得開(kāi)關(guān)損耗能量,即同樣,對(duì)850V電壓下,IGBT的開(kāi)通損耗Eon、關(guān)斷損耗Eoff和電力二極管的反向恢復(fù)損耗Erec隨電流的變化進(jìn)行了仿真,將仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)手冊(cè)所給的典型值繪在一起,如圖4所示。開(kāi)關(guān)損耗仿真結(jié)果均能落在典型值附近。仿真結(jié)果表明,本文IGBT和電力二極管的實(shí)時(shí)仿真能夠反映電力電子器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓、電流尖峰和開(kāi)關(guān)損耗等關(guān)鍵指標(biāo)。4igbt和電力電極的實(shí)時(shí)仿真方法IGBT和電力二極管的實(shí)時(shí)仿真方法可以推廣至其他電力電子器件,如電力晶體管(GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、集成門極換流晶閘管(IGCT)等。電力電子電路的基本開(kāi)關(guān)單元通過(guò)組合可