基于Simplorer /Simulink聯合仿真計算IGBT損耗的方法

朱 元，張幸福，肖明康，石其輝，陸 科

(1.同濟大學 汽車學院，上海 201800；2. 同濟大學 中德學院，上海 201800)

0 引 言

電動汽車憑借其優良的節能環保性能受到越來越多人的青睞，IGBT作為電動汽車不可缺少的重要部件，其可靠性也成為人們研究的重點。由于IGBT經常工作在高溫、高功率的環境下，工作時其內部結溫會不斷升高，從而產生熱應力，最終將在封裝的薄弱環節處引起失效[1]。研究表明，約55%的功率模塊失效是由于IGBT結溫引起的[2]。而IGBT的損耗計算是估計結溫的前提，因此，有必要準確計算IGBT的損耗，為選擇合適的功率模塊，設計合理的散熱裝置，以及對IGBT可靠性分析提供數據支持。

目前，國內外有關IGBT損耗研究主要通過搭建IGBT物理模型或者通過公式推導進行損耗計算[3-6]。物理模型方法主要采用Pspice[7]、Saber[8]等仿真軟件，使用電源、電容等一些相對簡單的元件，搭建器件物理模型來仿真IGBT動態特性，得到IGBT模塊瞬間電流、電壓波形進而計算損耗。然而，這些仿真軟件難以搭建電路控制模塊，且沒有考慮負載電機模型對損耗的影響。采用Simulink搭建損耗公式可以比較容易地實現損耗計算，且Simulink模型能夠實現電路控制模型的搭建，但是模型沒有考慮IGBT開關延遲等情況，這就導致了仿真結果不準確，不能完全反映電機運行的真實情況，得到的逆變器IGBT損耗也與實際結果相差較大[9-10]。也有通過聯合仿真的方式，對電機進行控制。文獻[11]基于Simplorer/Maxwell的聯合仿真對高速感應電機進行控制，計算和分析了電機電磁損耗，然而沒有考慮逆變器IGBT模塊的損耗；文獻[12]通過Simplorer/MATLAB聯合仿真，實現了光伏并網逆變器的仿真建模，研究重點主要在與逆變器并網電流的控制策略上，同樣沒有考慮逆變器IGBT模塊的損耗問題。

本文提出了基于Simplorer/Simulink的聯合仿真計算IGBT損耗的方法。首先分析推導了IGBT損耗計算公式，然后在Simulink中搭建電機控制算法與損耗模型，在Simplorer中搭建IGBT模型與電機有限元模型，通過聯合仿真的方式發揮各自軟件的優點，最后進行實驗驗證，發現相較于公式計算結果，聯合仿真結果獲取的損耗更加接近逆變器IGBT的實際工作情況。

1 IGBT損耗計算

IGBT模塊的開關過程如圖1所示。從圖1中可以看出，IGBT的損耗包括導通損耗和開關損耗兩部分，本文采用近似計算的方法，針對一個電流周期，分別對導通與開關損耗進行計算[13]。

圖1 IGBT模塊的開關模型

1.1 IGBT導通損耗

IGBT的導通損耗是指IGBT完全導通時所產生的損耗，主要由IGBT的導通電流和導通壓降決定。假設電流周期為Tc，開關周期為Tsw，一個電流周期內有N個開關周期，則導通損耗可計算如下:

(1)

式中：Vceo為IGBT導通時的壓降；Rce為IGBT的導通電阻。

考慮到電流周期Tc遠大于開關周期Tsw，故可得：

(2)

式中：D(t)為IGBT導通的占空比。

基于文獻[14]對損耗的研究，可以對式(2)進行簡化計算，得到IGBT導通損耗公式：

(3)

式中：I為相電流最大值；m為調制比；φ為功率因數角。

類似地，可計算續流二極管FWD導通損耗公式，不同的是FWD導通的占空比為1-D(t)。

(4)

式中：Rf為FWD導通電阻；Vf為FWD的導通壓降。

1.2 IGBT開關損耗

IGBT的開關損耗是指在開關過程中產生的損耗，包括開通損耗和關斷損耗兩部分[15]。其表達式如下：

(5)

式中：fsw為逆變器開關頻率。

開關損耗與輸出電流大致成正比，可以根據器件數據手冊中的額定電流I下的每次開通和關斷能量損耗，對瞬時電流i下的單個開關能量作線性近似[16]。在實際應用中，直流母線電壓也是影響器件開關損耗的主要因素，因此也要在額定電壓的一定范圍內對損耗作線性調整?？紤]到這兩個因素，可以得到改進后的開關損耗計算公式：

(6)

式中：fsw為逆變器開關頻率；Eswref為數據手冊中IGBT的開關損耗；Vdc,Imax分別是仿真過程中的母線電壓和相電流最大值；Vdcref,Imaxref分別為數據手冊中母線電壓與相電流最大值的參考值。FWD開關損耗也可以根據同樣的原理得出：

(7)

1.3 IGBT總損耗

以上分析的是單個IGBT及其反并聯續流二極管的功率損耗，由于整個逆變器是由6個IGBT與FWD組成，其總損耗可以近似認為是單個IGBT損耗及FWD的6倍，因此總損耗p如下：

ptotal=6(pIGBT_cond+pIGBT_sw+pFWD_cond+pFWD_sw)

(8)

2 聯合仿真建模

為模擬逆變器帶有電機負載時的運行情況，彌補Simulink仿真時忽略電機自身的非線性特點和IGBT非理想開關的特性，以及ANSYS Maxwell 軟件進行電機的電磁仿真過程中無法加入電機控制算法的問題，本文提出在Simulink中搭建電機控制算法與損耗模型，在Simplorer中搭建IGBT模型與電機有限元模型，通過聯合仿真的方式對IGBT損耗進行研究。該方法的仿真效果更加接近逆變器實際工作情況，獲取IGBT損耗也更加準確。

2.1 Simplorer中模型搭建

Simplorer主要進行電機場路耦合，即通過在Simplorer中建立逆變器模型，然后在Ansoft Maxwell 中設置Simplorer接口功能,將電機的電磁模型導入到Simplorer中，最后將仿真電流等參數反饋至Simulink模型。

Simplorer軟件中半導體器件選用高級動態模型來建模。首先需要根據 IGBT手冊查找相應的參數，通過IGBT建模工具提取參數，如轉移特性曲線和輸出特性曲線，然后進行隔熱設置，保存后生成測試電路，執行測試電路可得到IGBT的開通關斷曲線。圖2為搭建完成的IGBT開關過程示意圖。測試波形中存在導通和關斷延遲，證明設計的IGBT符合使用要求，能夠反映IGBT實際的工作狀況。

圖2 Simplorer中IGBT模型開關波形圖

完成逆變器中IGBT模塊建模后，便可以導入電機的有限元模型。電機的端部電感和電阻是不能忽略的，因此要在逆變器與電機之間添加端部電感和電阻。在電機輸出一側，還需要添加測量模塊來獲取電機參數，包括電機轉速、角度以及轉矩等變量，電機控制算法根據這些參數對電機進行控制。設置完成后，可以通過Simplorer直接獲取IGBT兩端電壓與電流的變化，進而得到損耗。

2.2 Simulink中模型搭建

將電機控制模型、逆變器IGBT模型、電機電磁瞬態場模型通過AnsoftSimplorer軟件整合以后，便可以通過Simulink建立三相電機控制的聯合仿真模型。Simulink中的模型主要包括電機控制模塊和損耗計算模塊兩部分組成。

電機控制模塊主要通過FOC控制算法實現對電機的控制。FOC算法實現過程為采集到三相電流，經過Clarke變換后得到兩軸正交電流量Iα,Iβ，然后通過Park變換得到旋轉坐標系下電流Id,Iq，在實際控制中，一般采用Id=0的控制策略。將Iq與Id反饋與命令的差值分別送進PI調節器，得到對應的輸出Vq和Vd；通過傳感器得到電機轉過的角度，進行Anti-Park變換，得到Vα,Vβ，然后根據SVPWM算法獲取逆變器開關的工作狀態，并控制逆變器工作，驅動電機轉動[17-18]。

損耗計算模塊在前面已經詳細推導過，將電機控制算法中獲取的Id與Iq、Vd與Vq、轉角θ、逆變器母線電壓VL等變量輸入損耗計算模塊，即可完成Simulink中公式計算的模型搭建，其模塊框圖如圖3所示。

圖3 Simulink中電機控制算法與損耗計算模塊

2.3 聯合仿真模型

在完成Simplorer與Simulink中的模型搭建以后便可以對兩個軟件進行接口的配置，具體過程如下[19]：

1) 在Simplorer中添加Simulink連接部件，并對Simulink部件的輸入輸出端口根據需要進行添加，按照端口與Simplorer中端口進行連接，完成Simplorer部分的配置。

2) 對Simulink進行配置，添加S-Function模塊，輸入的函數對應Simplorer中的文件名，然后將對應端口連接，連接過程中要保證各個端口數據類型一致。之后設置求解器參數，參數設置要與Simplorer中的設置保持一致。

3) 初始化電機控制系統仿真模型、電機電磁瞬態場仿真模型和逆變器仿真模型的仿真時間和步長；判斷模型之間是否建立連接；若能夠建立通訊，則可以進行聯合仿真計算。

Simplorer聯合仿真平臺得到MATLAB Simulink輸入的控制IGBT模塊開關的信號，并經過IGBT驅動信號產生的三相電流輸入到Maxwell電機模型中，軟件記錄電機模型輸出的三相電流和電機轉矩、轉速、轉角等信息，最后得到基于聯合仿真獲取的IGBT損耗和基于公式推導獲取的IGBT損耗。圖4為聯合仿真的總體結構框圖。

圖4 聯合仿真總體結構圖

3 仿真結果

仿真實驗中，IGBT模型型號為英飛凌FS820模塊，電機模型參數如表1所示。

表1 聯合仿真負載電機參數表

在配置好仿真步長后，點擊Simulink中的開始按鈕，即可進行聯合仿真。仿真給定的母線電壓為350V，冷卻液溫度為25 ℃，流量為10L/min，開關頻率10kHz，控制電流Id=0，Iq=300A，轉速設定為1 000r/min。

對仿真結果進行分析，發現三相電流呈正弦形，且三相電流波形峰值與給定的Iq相等，如圖5所示，說明電機能夠正常運行。IGBT導通電流也呈正弦形，且當IGBT兩端電壓為母線電壓時，通過IGBT的電流為0，此時IGBT處于關斷狀態；而當兩端電壓近似為0時，導通電流達到最大值，IGBT處于導通狀態，如圖6所示，說明IGBT模塊開關正常，模型搭建準確。

圖5 聯合仿真三相電流波形圖

圖6 聯合仿真IGBT的電流與電壓波形圖

圖7為采用功率分析儀進行實際實驗、聯合仿真計算與公式計算得到的逆變器損耗波形對比圖。可以發現，在相同條件下，聯合仿真結果更加接近實驗結果。

圖7 聯合仿真IGBT損耗對比

4 結 語

本文通過對IGBT損耗進行分析，并通過Simplorer與Simulink聯合仿真的方式，實現了對帶有電機負載的IGBT模塊的控制以及損耗計算，與傳統的損耗計算方法相比，具有以下優點：

1) 聯合仿真能夠將逆變器中IGBT模塊開通和關斷的延遲過程體現出來，更加符合逆變器的實際工作過程；

2) 通過電機控制算法和電機本體的Maxwell模型進行聯合仿真，使得電機的工作狀態與實際工作狀態更為接近，相比較于傳統的Simulink仿真模型，三相電流的仿真值更加準確，計算得到的損耗更可靠；

3) 仿真結果取得了良好的測試效果，不再需要進行大量的試驗過程，提高了測試效率，有效降低了逆變器選型的時間成本；此外，計算得到的損耗也為IGBT結溫估計計算提供了數據，可對逆變器工作時的可靠性進行評估。