IGBT暫態實時仿真模型

馬海心 劉 健

（陸軍裝甲兵學院兵器與控制系，北京100072）

0 引言

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）廣泛應用于600V及以上，10A以下的變流系統，如交流電機、變頻器、開關電源、軌道交通等領域。IGBT的工作狀態包括穩態和暫態，暫態過程關系到開關頻率、開關損耗、電磁特性等性能。現有仿真軟件往往將IGBT開關過程視為理想過程，不能很好地體現IGBT的暫態過程[1-2]。有的軟件模型考慮暫態過程，但實時性很差[3]。為了更好地體現IGBT的暫態過程，本文基于FPGA建立實時仿真模型。

FPGA是面向硬件電路編程的芯片，采用并行運算方式，時鐘周期可以達到納秒級。IGBT的暫態過程一般為數百納秒，進行暫態模型仿真，要求仿真步長達到納秒級，FPGA的特點符合要求[4]。本文采用Xilinx公司Spartan系列的XC3S500E芯片，該芯片時鐘頻率為50MHz，時鐘周期20ns，系統門數為50萬。該芯片豐富的硬件資源，并行化數據處理方式，靈活的接口配置，能夠滿足IGBT暫態實時仿真模型的設計要求。

1 IGBT暫態模型

在對IGBT暫態仿真模型的研究中，我們往往不關注其內部的物理特性，而只關注其外特性，因此構建IGBT功能模型[5-6]。通過對暫態過程進行分析，為下一步在FPGA中軟件實現奠定了基礎。

1.1 IGBT開通過程

IGBT的開通過程如圖1所示。t0～t5為各個階段劃分節點，S為表示開關信號，Vge為柵極與射極電壓，Vce0為集電極與發射極在IGBT截止穩態下電壓，Vces為集電極與發射極在導通下電壓，Ic為集電極電流，Ic0為集電極在導通穩態下電流，Vth為IGBT開啟電壓。

圖1 IGBT開通過程

IGBT開通過程劃分為4個階段，對于各個階段IGBT的狀態分析如下：

階段Ⅰ（t0～t1）：在驅動電源作用下，柵-射極電壓Vge開始上升，在t1時刻到達開啟電壓Vth。這個時間段內，IGBT尚未導通，集電極電流Ic為零，集-射電壓Vce為直流母線電壓Vce0。

階段Ⅱ（t1～t2）：當電壓Vge繼續上升，大于開啟電壓Vth后，IGBT開始導通，集電極電流Ic逐漸增加，集-射電壓Vce隨之下降，直到t2時刻，電壓Vce變化率為零。

階段Ⅲ（t2～t3）：由于米勒效應，Vce保持為平臺電壓Vcep不變，集電極電流Ic繼續增大到最大值，變化率逐漸降低為零。

階段Ⅳ（t3～t5）：集電極電流Ic從最大值開始下降，在t4時刻到達導通狀態的負載電流Ic0；結電容Cgc開始放電，電壓Vce逐漸下降至零。IGBT在t5時刻進入導通飽和狀態。

1.2 IGBT關斷過程

IGBT關斷過程分為4個階段，如圖2所示。

圖2 IGBT關斷過程

各階段IGBT狀態分析如下：

階段Ⅰ（t0～t1）：在t0時刻，IGBT尚處于完全導通狀態。從t0到t1時刻，柵-射極電壓Vge開始下降，電壓Vce從Vces上升至0.1Vce0，而集電極電流Ic保持負載電流不變。

階段Ⅱ（t1～t2）：此階段延續階段Ⅰ的變化趨勢，Vce從0.1Vce0繼續增加至Vce0，電壓Vge進入米勒平臺；集電極電流Ic依然為負載電流，但已經進入臨界飽和階段。

階段Ⅲ（t2～t3）：t2時刻開始，集電極電流Ic迅速下降，電壓Vce超越母線電壓Vce0繼續上升，形成一個電壓尖峰，并逐漸回落至Vce0。而在t3時刻，電流Ic降為0.1Ic0。

階段Ⅳ（t3～t4）：t3～t4時刻，電壓Vce維持為直流母線電壓Vce0，IGBT已經關斷，只剩下拖尾電流Ic到t4時刻衰減至零，至此關斷過程完全結束。

2 軟件實現

為了便于在FPGA中實現IGBT開關的暫態模型，需要建立相應的軟件模型。由于IGBT開關過程只有幾百納秒，為了滿足仿真快速性的要求，采用了查表法在FPGA中建立模型，方法是在Matlab中對IGBT暫態過程進行仿真，提取暫態數據，保存在FPGA相應的緩存器中，仿真時根據時序信號再依次取出，并經過一系列加法器、乘法器，得到模型輸出[7-8]。

軟件模型的原理圖如圖3所示。圖中clk為時序信號，周期為20ns，FPGA中加法器和乘法器運算只需要一到兩個時鐘周期，整個模型的實時性滿足設計要求。S是開通暫態信號，S為“0”時，表示進入開通暫態；S為“1”時，表示進入關斷暫態。

圖3 軟件模型原理圖

3 實驗驗證

本設計IGBT采用英飛凌（Infineon）公司的FF1400R17IP4，模型數據采用工作電壓750V，集電極導通穩態電流500A時開關暫態的數據。為了方便仿真模型測試，在FPGA中產生周期為10ms的開關信號，以驅動模型運行。為了方便對模型的觀測，FPGA中的模型采用并行數據輸出，再經過外部DA轉換電路，輸出模擬信號，可以用示波器進行觀測。圖4是利用示波器檢測的模型輸出波形，與圖1、圖2對比可以發現，模型輸出電壓、電流能夠反映暫態過程的變化規律，并且實時性好。

圖4 暫態模型測試結果

4 結語

為了建立IGBT暫態的實時仿真模型，反映開關暫態的詳細信息，本文分析了IGBT的暫態過程，采用查表法在FPGA中建立軟件模型，并通過實驗驗證模型的有效性。實驗結果與設計相符合，在滿足實時性的條件下，較準確地反映了開關過程中電壓、電流尖峰，驗證了采用FPGA建立IGBT實時仿真模型的可行性，為研究IGBT暫態特性提供了一種兼顧準確度和實時性的仿真方案。