IGBT模型总结IGBT模型总结.doc

I. IGBT器件模型的研究背景： 实时仿真已经在汽车，航天，电子和机械制造中得到了广泛的应用，其中一个应用最广泛的就是硬件在回路。在电压型变流器的仿真中，IGBT的建模是一个很关键的问题。特别是模型要考虑到非线性的开关特性，电感损耗和反并联二极管的回复特性。 IGBT的离线仿真模型可以划归为两类：系统级和器件级。 系统级的仿真模型主要包含的是电力电子期间的一些如关断电压，电流谐波等电气特性，如在MATLAB/SIMULINK等软件使用的模型。这些工具利用有限元数值计算如梯形积分公式，建立器件常用的离散模型。通常可以分为以下几个开关模型：1.理想模型；2.开关函数模型；3.平均模型。所有三种模型在实时仿真中都有使用，并且通过一些算法在DSP和PC机上实现，如通过自动预测下变流器下一状态来减小仿真时间。虽然，系统级的模型仿真速度比较快，但是反应器件的非线性不够准确。 器件级的模型中，主要内容包括开关的暂态特性，功率损耗，和器件的发热特性。SABER和SPICE系列软件都是通过有限元数值计算如Newton--Raphson或者Katzenelson方法来实现器件的非线性特性。器件级的模型十分全面，但是仿真时间较长。通常可以划分为一下三个模型：1.分析模型；2.经验模型；3.有限元数值模型。这三种模型由于计算复杂，没有一种运用到实时仿真中。其中，分析模型是基于器件描述载流子动态的半导体物理特性。在这种模型中，最具代表的是Hefner模型和Kraus模型，并且已经在SABER和SPICE中所使用。在动作模型中，IGBT的相关开关特性通过不同的方法表示出来，并且这种方法已经在离线的仿真工具EMTP中比较准确的使用。但是，为了能够在传统的DSP上使用，这种模型仍然需要更小的仿真步长。 II. 系统级的仿真模型 2.1理想模型 引用来自论文：Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits 图1. IGBT的伏安特性曲线 图2. IGBT的理想开关状态 比如，对于三相逆变器来说 图3. 三相逆变器电路拓扑 三相电压型逆变器结构如图3中所示，由6支IGBT及其反并联二极管构成，引入A，B，C桥臂的开关变量、、（表示上桥臂导通，表示该下桥臂导通，i=a,b,c）。 每个桥臂输出端的电压可以用各桥臂的开关变量和直流侧电压表示： （1） ，其中，，推到可得： 在理想模型中，开关的暂态和二极管的反向恢复都被忽略。并且，缓冲电路和杂散分量都可以忽略。用线性等式代替器件的非线性开关特性（用图2所示的理想状态替代图1中的实际曲线），这样加速了仿真的时间和减小了收敛性问题。由于不需要额外的电路模拟，理想模型是最常用的。但是，由于在仿真过程中，由于每一个开关都是单独处理，开关状态的不同将会导致不同的拓扑结构。这样，需要系统结构的改变，特别是高频电路。 2.2 开关函数模型 引用来自论文：Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits 在这种方法中，一个开关变流电路被一个只有可控电压源和电流源的电路替代，描述变流器外部动作。 A. 电压源输入电路 B 电压源输入等效电路 图3. 电压源输入 A. 电流源输入电路 B.电流源输入等效电路 图4. 电流源输入 输入，输出的关系为： 当输入为电压源时： （1） 当输入为电流源时： （2） 其中，和为开关函数，在很多情况下，和可以相互推出。 比如，对于三相电压源型逆变器来说 图5. 三相逆变器电路拓扑 三相电压型逆变器结构如图5中所示，由6支IGBT及其反并联二极管构成，引IGBT的开关变量（表示IGBT导通，表示IGBT关断，i=1,3,5）。 仿真用开关函数与理想模型相比，仿真更快，并且可以得到和理想模型的相同结果，在高频开关电路中仍然适用。但是，由于不存在单独的开关，不太可能模拟检测出每个开关的电压和电流，而且如果考虑触发脉冲的死区时间，开关函数就更不容易实现。 3.3 平均模型 引用来自论文：Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits 在理想模型和开关函数模型中，电路如果处于高频状态，如果进一步加速仿真速度，那么开关函数模型可以通过忽略开关影响。也就是说，只有低频的开关分量被考虑，其它的高频分量被忽略。 比如在如下的Buck电路中 图6. Buck主电路 开关函数变为一个直流常量，并且Buck电路输出没有谐波含量。 在另一篇论文：Generalized Average Modelling of FACTS for Real Time Simulation In ARENE中，作者对上