用于混合动力和纯电动汽车的IGBT大功率电子系统建模

2014-03-06 14:11
来源：大比特

摘要：用于混合动力和纯电动汽车的IGBT大功率电子系统建模

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。