IGBT熱模型的硬件在環實時仿真方法研究*

高　瑾，　霍鋒偉，　殷桂來，　黃蘇融

(上海大學 機電工程與自動化學院，上?！?00072)

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IGBT熱模型的硬件在環實時仿真方法研究*

高瑾，霍鋒偉，殷桂來，黃蘇融

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072)

摘要：在現有電壓源型三相橋式逆變器的理想硬件在環(HIL)實時仿真模型的基礎上，建立了IGBT損耗及溫升的HIL實時仿真模型。模型是在基于FPGA的HIL平臺上搭建。采用數據手冊結合線性插值的方法建立了IGBT損耗模型。采用等效熱網絡電路方法，建立了IGBT溫升模型。同時也可根據散熱器結構參數計算熱阻，增強了模型的適用性。為了擴展模型的實用性，采用LabVIEW進行了上位機通信設計，實現了模型參數實時輸入功能，以及模型數據實時采集并傳輸到上位機界面顯示功能。最后將MATLAB仿真模型與HIL實時仿真模型進行對比，以驗證模型的數據精度，并與實物測試進行對比，以驗證模型的可靠性。

關鍵詞：IGBT 損耗及溫升； 現場可編程門陣列； 硬件在環

0引言

隨著大功率電力電子器件的發展，電力拖動系統中逆變器的IGBT在大電流、大電壓及高開關頻率工況下的應用問題更加突出。隨著工作電流、電壓的增大以及開關頻率的提高，IGBT的損耗也不斷增大，結溫隨之上升，不僅影響IGBT的開關特性、損耗，還可能嚴重影響IGBT正常工作，甚至永久性損壞。因此，在逆變器的高效節能和可靠性研究中，IGBT的損耗及溫升問題成為了一個重要研究方向。

對于損耗的建模，較早的方法是采用物理器件模型進行電路仿真的方法[1]，但是IGBT器件開關過程非常短暫，約幾百ns，并且暫態過程十分復雜，要求仿真步長設置很小，通常小于 10ns，導致對計算機硬件要求較高，且計算費時不容易收斂，并不實用。后來大多數采用擬合的方法得到開關瞬間電壓、電流的時域表達式，在此基礎上通過積分運算獲得開關損耗[2-7]。基于曲線擬合的損耗建模計算方法相對準確，且簡單實用，但模型復雜不易于數字建模。近年來，為了易于數字實現和建模，出現了基于數據手冊法的損耗建模方法[8-13]。該方法根據IGBT器件數據手冊上的損耗曲線，計算相應工況下的損耗。Infineon在文獻[8]中較早提出基于IGBT器件數據手冊的損耗計算方法，以及考慮門極驅動電阻、工作電壓、電流及結溫影響因素的系數矯正方法。文獻[9]采用Infineon的數據手冊法及矯正公式，計算了逆變器損耗并進行了功率優化。文獻[10-11]中采用該數據手冊法，分析等效逆變器的各種調制方法、換流模式與負載類型，建立開關動態特性的多維數據庫，得到逆變器實際工況下工作點的開關能量損耗，進而計算出逆變器損耗。對于溫升的建模，大多數采用RC等效熱網絡法建立溫升熱模型[2-3，11]。

目前對于逆變器中IGBT的損耗與溫升的建模，基本上采用離線仿真平臺仿真建模，而采用硬件在環(Hardware-in-the-loep, HIL)實時在線模型的較少。2011年，Venkata Dinavahi等人根據逆變器中IGBT的開關特性，將其暫態過程通過查表在HIL實時在線仿真中實現，并且實時地進行IGBT動態損耗的計算[13]。HIL實時仿真是基于模型的測試技術，通過搭建控制對象模型進行試驗測試，對試驗結果進行分析，取得和真實情況接近的效果，是一種比離散的純數學仿真更逼近真實工況的仿真測試技術。它具有安全、經濟、可控、便于觀察、無破壞性及可多次重復等顯著優點。它可以較好地兼顧真實性和易控制兩方面的優勢，因此越來越多地被應用于各種控制仿真領域[14]。

本文在現有電壓源型三相橋式逆變器的理想HIL實時仿真模型的基礎上，實現了IGBT損耗及溫升的HIL實時仿真模型。采用數據手冊結合線性插值的方法，建立了IGBT損耗模型。采用逆變器的等效穩態熱網絡電路，建立了IGBT溫升模型。同時也可根據散熱器結構參數計算熱阻，增強了逆變器實時模型的廣泛適用性。最后通過MATLAB仿真驗證模型數據計算的精度，并與實物測試進行對比，驗證該IGBT損耗及其溫升計算的HIL實時仿真模型的可靠性。

1逆變器和IGBT損耗及溫升的數學模型推導

1.1逆變器的數學模型

本文以電壓源型三相橋式逆變器為原型建立逆變器的數學模型。為了更加準確地仿真逆變器的真實特性，該數學模型考慮了IGBT、二極管等半導體材料的管壓降。

三相橋式逆變器三個橋臂對稱，因此以其中一個橋臂為例，隨著功率管的開關狀態及電流的流向，進行詳細分析。圖1給出了三相橋式逆變器的結構圖，據此對a相橋臂進行分析。該橋臂2個IGBT共有三種工作狀態：

(1) A1導通，A4關斷；

(2) A4導通，A1關斷；

(3) A1和A4都關斷。

圖1　三相橋式逆變器結構圖

以狀態(1)為例： 如果電流ia>0(流入負載)，那么電流流經A1，端電壓ua=udc-uce；如果電流ia<0，雖然A1導通，但是電流流經VD1，此時ua=udc+ud，其中udc為直流母線電壓，ud為二極管壓降，uce為IGBT管壓降。如果電流ia=0，此刻uout取決于上一采樣時刻電流的方向。

其他狀態下輸出端電壓分析類似，這樣便可以得出各個狀態的輸出電壓結果。

三相相電壓為

(1)

式中：Ua、Ub、Uc——負載電壓相對于逆變器中點的電壓。

1.2IGBT損耗數學模型

功率元器件不是理想的，都會產生損耗。電壓源型逆變器損耗包含IGBT損耗、二極管損耗、電路部分損耗等。在電力拖動系統中，逆變器處于高開關頻率和大電流的運行狀況下，IGBT的損耗為主要損耗，因此本文主要研究IGBT損耗計算方法在HIL實時仿真模型的實現。根據開關過程特性IGBT損耗可以分為開關損耗和通態損耗兩部分：

Ptot=Pcond+Pswitch

(2)

式中：Ptot——總損耗；

Pcond——通態損耗；

Pswitch——開關損耗。

IGBT的開關損耗是在開通和關斷時產生的，因此它與開關頻率成正比：

Pswitch=(Eon+Eoff)·f

(3)

式中：Eon——開通過程損耗；

Eoff——關斷過程損耗；

f——開關頻率。

通態損耗是導通時間內uce和ic乘積的積分：

(4)

式中：tn、tm——開通、關斷時刻；

ic——集電極電流。

IGBT開關損耗的計算方法有線性法、多項式法、三角法、數據手冊法等，本文基于Infineon提出的數據手冊法[11]，并結合FPGA動態實時模型需要，提出了基于實時數據手冊法的IGBT開關損耗計算方法。圖2所示為三菱(SGP20N-60)開關管數據手冊中IGBT的開關損耗曲線。

圖2　三菱(SGP20N60)IGBT開關損耗

根據數據手冊法，在圖2中選取兩個方便確定的點Eon(1)和Eon(2)，那么開通損耗：

Eon=Aon·IC+Bon

(5)

Bon=Eon(2)-Aon·IC(2)

(6)

同理可得關斷損耗：

Eoff=Aoff·IC+Boff

(7)

Boff=Eoff(2)-Aoff·IC(2)

(8)

該算式對于在某個線性工況下進行損耗估算較為方便，但在逆變器實時在線仿真中需要得到全部工況下的數據，簡單無序的線性插值不能保證全體數據的準確度，過于理想化，因此本文結合模型精度及編程要求，采用多區段化離散插值法，即根據具體開關管損耗數據的范圍，根據電流分成m+1個區段，每段分別是(0，IC(1))，(IC(1)，IC(2))，…，(IC(m-2)，IC(m-1))，(IC(m-1)，IC(m))，(IC(m)，IC(max))。若IC(n-1)≤IC≤IC(n)(0

(9)

式中：Eon(n)、Eon(n-1)——分別是IC(n)、IC(n-1)時對應的損耗。

逆變器的總損耗為

Ptot=6[(Eon+Eoff)f+Pcond]

(10)

1.3IGBT溫升數學模型

半導體芯片結點的熱量傳輸至周圍環境空氣必然經過幾種不同材料，如圖3所示，而每種材料有各自熱導率、截面積及長度，多層材料的熱傳輸可以建立熱電模擬的熱路圖[2]。

圖3　硅芯片到環境的熱通路圖

圖3是功率器件由硅芯片熱傳到空氣的熱通路，由結到環境的總熱阻為

RjA=RjC+RCS+RSA

(11)

式中：RjC，RCS、RSA——分別表示芯片結和管殼、管殼和散熱器、散熱器和環境間的熱阻。

IGBT由硅芯片的熱傳到環境的瞬態熱抗可以等效為圖4。

圖4　瞬態熱抗等效電路圖

如果溫升時間大于電路RC上升的時間常數t的3~4倍，阻抗值Zth接近于穩態熱阻Rth。本文測試溫度穩態特性，需要測試時間保證溫升處于穩定，因此將熱網絡電路等效簡化為穩態熱阻網絡電路，逆變器的熱網絡電路也就可以由圖5給出。

圖5　逆變器穩態等效熱網絡電路圖

熱網絡電路是將損耗視為電流源，而通過熱阻之后產生的電壓也就是溫升，最后與空氣等效的電壓源構成閉合的電路。采用這個溫升計算原理，可以在FPGA中很好地實現，并能獲得實時計算的效果。

計算公式如下：

Tj-TC=PIGBT·RjC

(12)

TC-TS=(PIGBT+PDiode)RCS

(13)

TS-TA=Ptot·RSA

(14)

式中：Tj——IGBT芯片節點溫度；

TC——散熱器殼溫度；

RjC——IGBT芯片節點到散熱器殼的熱阻；

RCS——殼到散熱器的熱阻；

TA——空氣溫度；

RSA——散熱器到空氣的熱阻。

本文不考慮二極管損耗，因此結溫的溫升計算可以簡化為

Tj=PIGBT(RjC+RCS)+Ptot·RSA+TA

(15)

2HIL實時仿真模型的設計

筆者在前期研究中，已經建立了理想的IGBT的HIL模型，且考慮了IGBT、DIODE的管壓降。但是考慮到實際工況中會產生損耗與溫升，為了提高逆變器IGBT的HIL實時仿真模型的可信度，本文才將溫升、損耗這兩個因素考慮進來。

本文提出的逆變器HIL實時仿真模型，通過基于FPGA的HZL半實物仿真平臺進行測試。硬件在環測試平臺(HIL-Bench)實物如圖6所示，包括三個部分：

圖6　HIL平臺結構圖

(1) 逆變器模型——FPGA核心板及調理電路(逆變器動態實時模型)，硬件采用CycloneIII EP3C40Q240C8芯片，軟件采用Altera的Quartus II 9.0編寫模型的項目程序；

(2) 電機控制器——(DS1103)該部分基于dSPACE開發控制程序；

(3) 計算機軟件——基于LABVIEW開發的上位機作為系統的通信工具及參數實時在線更新輸入端。

2.1實時模型的頂層設計

逆變器的HIL實時仿真模型采用自底向上、模塊化、層次化的設計方法。頂層主要包含三個主要部分： 鎖相環、NIOS通信軟核和逆變器部分。鎖相環為模型提供穩定統一的系統時鐘50MHz，通信軟核主要采用SOPC設計，而逆變器模型作為一個黑盒子，可以層層展開內部結構。

2.2逆變器的損耗實時計算的FPGA設計

損耗計算的FPGA結構設計如圖7所示。開通和關斷損耗采用數據手冊法與線性插值法相結合的方法處理，其輸入端子為開通和關斷數據手冊損耗表及ic。通態損耗根據式(4)計算，輸入端子為uce和ic。然后輸入到右邊損耗計算模塊式(10)，并進行離散時序匹配設計，統一該損耗計算時序，保證模型的真實性、實時性。輸出端子即為總損耗Ptot。

圖7　FPGA中實現損耗計算模塊的結構圖

數據手冊法是根據已測數據來查找目前條件下的數值的方法，數據的全面性將決定結果的精確度。在FPGA的離散系統模型中，芯片的資源是有限的，也限制了所取的手冊數據量。線性插值是通過兩個已知點，將中間線性處理的方法。這兩者相結合，即保證了模型的精度，又有效地處理了中間離散的數據空白。

2.3IGBT結溫計算模型

依據電路熱阻結構，得出了溫升計算式(15)，在FPGA中實現溫升計算的模塊結構圖如圖8所示。為了統一溫升計算的時序，匹配損耗計算部分的時鐘，增加了實時時序轉換模塊，并在布局中采用組合邏輯單元和時序邏輯單元相間安排，保證流程的時序統一性。溫升由式(15)計算得出，熱阻參數由上位機輸入。

圖8　FPGA中實現溫升計算模塊的結構圖

3試驗結果分析

3.1HIL實時模型的精度驗證

逆變器HIL實時模型精度測試，是將HIL模型與MATLAB模型進行仿真對比測試。測試中模型的參數和給定電壓、電流是完全相同的。

當系統處于穩定狀態時，對兩種模型的Eon、Eoff、Pswitch、Pcond等進行對比。分別在“Udc=300V，IC=75 A，fswitch=10 kHz”和“Udc=300 V，IC=275 A，fswitch=10 kHz”情況下進行對比。圖9是MATLAB離線仿真結果，圖10是逆變器動態實時模型HIL的運行結果。

圖9　MATLAB離線仿真結果

圖10　HIL實時仿真模型運行結果

圖10中，開關損耗Eon、Eoff、Pswitch、Pcond都是Q14格式，經過換算與MATLAB的仿真結果是基本一致的，如表1所示，標準偏差為0.0225%。說明在逆變器參數相同的情況下，逆變器HIL實時仿真模型的運行結果和精度能夠滿足逆變器動態實時模型的需要。

表1　HIL實時模型和MATLAB仿真

綜上所述，逆變器HIL實時仿真模型具有很高的精度和穩態性能，能夠滿足HIL仿真高精度的需要。

3.2HIL實時模型與實物測試結果對比分析

全實物試驗在現有的電機平臺上，測試空載到額定負載工況下IGBT的實際溫升，用熱成像儀獲得IGBT模塊的管殼溫升熱分布圖，然后與HIL實時仿真結果進行對比。測試用電機為車用IPMSM，主要參數如表2所示，直流母線電壓Udc=300V，PWM開關頻率fswitch=10kHz，測試用IGBT主要參數如表3所示。

表2　車用IPMSM主要參數

表3　逆變器IGBT主要參數

損耗及溫升測試實物系統如圖11所示。通過鉗形表測量出逆變器入柜功率P1和出柜功率P2，然后根據式Pinverter=P1-P2作差得到逆變器損耗。采用熱像儀測量逆變器散熱器殼溫間接得到IGBT結溫測量數據。

圖11　損耗及溫升測試實物系統圖

圖12為通過HIL平臺測試出的IGBT結溫推導出散熱器殼溫與試驗熱像儀測得數據對比。

圖12　HIL平臺和實物平臺管殼溫升對比圖

表4為電機負載轉矩為0～50N·m的溫升測試結果。TL為負載轉矩，TC1為實物平臺下測出的逆變器管殼溫度，TC2為HIL模型中測出的逆變器管殼溫度。圖13為實物平臺和HIL平臺的逆變器損耗對比圖。實線是實物平臺測試結果，虛線為HIL平臺測試結果。

表4　電機負載轉矩0～50 N·m下的溫升測試

試驗對比結果表明： 本文建立的IGBT損耗及溫升的HIL實時仿真模型，能夠很好地模擬逆變器工況。在逆變器理想模型的基礎上，使得模型更加完善，同時上位機能夠實時在線更新實際使用器件的數據參數，使得該動態實時模型具有更廣泛的實用性。但是隨著負載的增大，模型的精度變差，說明模型還不夠完善，還要對模型深入研究，逐步完善模型的精度。

圖13　實物測量和HIL測量溫升曲線圖

【參 考 文 獻】

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Research on Hardware-in-the-Loop Real-time Simulation

Method of IGBT Thermal Model

GAOJin，HUOFengwei，YINGuilai，HUANGSurong

(School of Mechatronics Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China)

Abstract：Based on the existing ideal Hardware-in-the-loop (HIL) real-time simulation model of voltage source type three-phase bridge type inverter， the HIL real-time simulation model of IGBT loss and temperature rise was established. The model was set up on the HIL platform based on field programmable gate array (FPGA). Using data sheet with linear interpolation method， IGBT loss model was established. By adopting the method of equivalent thermal network circuit， IGBT temperature model was established. Also according to the structural parameters of radiator， the thermal resistance was calculated to enhance the applicability of the model. In order to extend the practical value of model， the PC communication design using LabVIEW was carried on， realizing real-time input function of the model parameters and the function of model data real-time acquisition and transmission to the PC interface to display. At the end， the real-time HIL simulation model was compared with the MATLAB simulation model to validate the data accuracy of the model， and compared with actual test to verify the reliability of the model.

Key words：IGBT loss and temperature rise； field programmable gate array (FPGA)； hardware-in-the-loop (HIL)

收稿日期：2015-08-24

中圖分類號：TM 301.2

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0022- 07

作者簡介：高瑾(1972—)，男，博士，副教授，研究方向為半實物實時仿真，車用電機及其控制。通訊作者為高瑾?；翡h偉(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為逆變器及其半實物仿真，虛擬電機通信。

*基金項目：國家863高技術基金項目(2012AA110802)