基于FPGA 的IGBT 暫態模型及仿真研究

陳志耀, 王 芳, 左亞輝

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

隨著可再生能源發電技術的日益成熟,可再生能源并網導致大量的電力電子設備接入電網,對電網的穩定性造成了不利影響,因此,這也對電力系統仿真平臺提出了更高的要求[1-2]。電力系統仿真從實時性角度可分為離線仿真和實時仿真。其中,基于現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)實時仿真以其快速的響應速度受到了廣泛的關注[3-4]。

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的理想開關模型只考慮了開關穩態特性,缺少對暫態過程的描述,不能夠支持學者進行電力電子器件及裝置的控制,對開關過程中的動態過程進行更加準確的研究[5]。目前,IGBT暫態模型分為線性模型、折線模型、物理模型、行為模型等[6]。線性模型將IGBT 暫態過程進行單一的線性處理,計算簡單；折線模型需考慮器件的非線性電阻及電容特性,折線模型比線性模型更加準確,但計算量也顯著增大；行為模型利用電壓及電流波形進行參數擬合,并建立了相應的電路模型,模型參數與器件內部結構沒有關聯；物理模型通常需要詳細準確的器件制造參數,包括尺寸、材料摻雜濃度等,參數獲取難度較大,大多應用于IGBT設計領域[7-11]。

對線性模型、折線模型、行為模型常用基于FPGA的IGBT暫態模型研究。文獻[12]建立了基于FPGA9n的IGBT 線性模型,并對三電平變流器感應電機驅動系統進行仿真研究,得到了真實的IGBT非線性開關特性和功率損耗。文獻[13]建立了基于FPGA 的IGBT 行為模型,基于四象限變換器和兩個兩電平變換器的電力拖動系統進行了仿真研究,在提高仿真效率的同時保證了仿真精度。文獻[14]根據電感開關特性,提出了一種基于分段線性的IGBT 模塊模型,在基于FPGA 的實時平臺上實現了一個DC-DC-AC拓撲模型,作為實例驗證了所提方法的有效性和實用性。文獻[15]采用二次函數擬合了基于FPGA 的IGBT行為模型,并應用于三相逆變器驗證了其模型的有效性。

本文分析了門極驅動電路對開關暫態的影響,考慮死區電壓、等效極間電容、雜散電感、拖尾電流、反并二極管恢復特性等因素,針對IGBT 的開關過程分別建立了開通和關斷暫態模型。以英飛凌公司的FS820R08A6P2B IGBT 模塊為例,在Vivado中以VHDL 語言建立了基于FPGA 的IGBT暫態模型,采用本文提出的建模方法進行雙脈沖仿真,獲得了IGBT 模型的暫態特性,并將本文模型應用于BUCK 電路進行仿真,驗證了本文模型的有效性。

1 門極驅動模型

門極驅動是控制IGBT導通關斷的器件,其發出正向電壓Ug1,當門極與發射極之間的電壓Uge高于死區電壓Uth時,功率場效應管導通并提供能夠保持晶體管開通的基極電流,從而使得IGBT開通；當門極驅動不發出電壓或發出反向電壓Ug2時,功率場效應管被關斷,晶體管的基極電流被切除,即IGBT被截止關斷。

IGBT器件的封裝和內部存在的寄生參數是IGBT開關特性的關鍵影響因素。IGBT模塊的寄生參數被定義為圖1所示。圖中,Rg為寄生內阻抗；Cge為門極與發射極之間的電容；Cgc為門極與集電極之間的電容；Cce為集電極與發射極之間的電容。其中對IGBT開關特性影響較大的是Cge和Cgc。

圖1 IGBT等效模型

根據器件手冊給出等效輸入電容Cies、等效輸出電容Coes和轉移電容Cres的曲線,獲取固定測試情況下的寄生電容值。極間非線性電容的方程組如下:

在IGBT的等效電容中,Cres相較于Cies變化的幅度更加明顯,對外特性起主要作用,因此應對直接影響Cres的Cgc展開分析。Cgc會隨著集電極與發射極之間的電壓Uce變化而變化,從而對IGBT的外特性造成影響。結合Cgc、Uce的共同影響,對圖1中IGBT 的G節點進行基爾霍夫電流定律分析,即

2 IGBT暫態模型

IGBT是壓控型開關器件,在開通過程中存在導通延時。極間電容導致了門極與發射極電壓存在米勒平臺現象。雜散電感的存在導致IGBT 開關過程承受著較大的電壓。另外,當IGBT反并二極管形成半橋結構時,二極管的反向恢復特性會對IGBT的輸出電流造成過沖。綜合以上因素,分別對開通和關斷兩個暫態過程進行建模。

2.1 IGBT開通暫態模型

根據門極驅動對IGBT 的控制作用以及雜散電感與二極管反向恢復特性的影響,將IGBT的開通過程分為6個階段,如圖2所示。圖中,Ic_top為二極管方向恢復造成的電流尖峰；Uce_off為關斷狀態下IGBT 承受的電壓；Uce_Ls為雜散電感作用下IGBT承受的電壓；Uge_pl為極間電容作用引起的米勒平臺電壓；Ic(t)、Uge(t)、Uce(t)分別為隨時間t變化的集電極電流、門極與發射極之間的電壓和集電極與發射極之間的電壓。

圖2 IGBT開通暫態示意圖

(1)t0～t1階段。t0時刻門極施加正向電壓Ug1,Uge(t)逐漸升高,但是此階段Uge(t)仍然小于死區電壓Uth,IGBT 處于截止狀態,Ic(t)、Uce(t)仍保持關斷狀態,即Ic(t)=0,Uce(t)=Uce_off。

2.2 IGBT關斷暫態模型

IGBT在關斷過程中由于極間電容作用會導致關斷延時,雜散電感的存在會造成電壓尖峰,關斷尾聲階段IGBT內部殘存的電荷形成了拖尾電流,將IGBT關斷暫態模型分為6個階段,如圖3所示。

圖3 IGBT關斷暫態示意圖

3 模型仿真驗證及應用

本文選用黑金公司的ZYNQ-AX7020 FPGA開發板作為仿真平臺,該開發板的核心處理器為賽靈思公司的ZYNQ 7000 系列的XC7Z020-2CLG400I,最大時鐘頻率可達766 MHz,搭載了AD/DA模塊,支持CAN、I2C、Ethernet、SPI等通信協議。

3.1 基于FPGA的IGBT模型及優化

利用FPGA的并行特性,建立如圖4所示的IGBT暫態模型。門極信號發生改變時,將IGBT前一時刻的穩態電壓、電流值傳輸給暫態模型,門極驅動開始進入暫態工作過程,相應的Ic、Uce也開始暫態計算過程,同時計算二極管的導通電流If及其兩端電壓Uf。

圖4 基于FPGA的IGBT暫態模型

為減小IGBT暫態模型參數計算的復雜程度,采用查表法對指數函數進行處理,如圖5所示。以開通過程的Uge計算為例,采用只讀寄存器(ROM)存儲Ug1、Ug2和Uge_pl這些固定不變的數值,用查表法將e-τ1t、e-τ2t以數組形式存儲在對應的ROM 中,而對Uge實時更新計算,存入隨機存取寄存器(RAM)中。

圖5 參數存儲空間分配

3.2 IGBT模型仿真驗證

以英飛凌公司的FS820R08A6P2B 750 V/820 A IGBT模塊為例,根據器件手冊提取典型參數,見表1。

表1 IGBT暫態模型參數

建立了雙脈沖電路驗證模型的有效性,如圖6所示。其中,外部電源電壓UCE為600 V,感性負載Ld為100μH,負載電阻Rd為1.5Ω。兩個IGBT 的 門 極 驅 動 電 源Ug1、Ug2采 用+15 V 和-8 V,控制開關的導通和關斷。保持IGBT1處于關斷狀態,僅保留上管二極管的續流作用,開關頻率設為1 k Hz,占空比0.5,控制下管IGBT2開通和關斷,測試IGBT的暫態特性[17]。

圖6 雙脈沖電路

對雙脈沖電路中下管開關IGBT2的測試結果如圖7所示,圖中實線表示通過IGBT2的電流Ic,虛線表示IGBT2兩端電壓Uce,對圖7中點畫線部分進行放大得到IGBT2開通和關斷的暫態過程,如圖8和圖9所示。

圖7 IGBT輸出特性

圖8反映了IGBT2的關斷暫態過程,開關關斷后,Uce迅速上升至兩端電源電壓600 V；Ic從300 A開始下降,然后進入拖尾電流階段。整個關斷暫態過程在1μs內完成,符合IGBT的關斷特性。圖9反映了IGBT2的開通暫態過程,開關開始導通后Ic迅速上升,Uce在雜散電感的作用下略有下降,直至Ic上升至300 A時,Uce呈斷崖式急劇下降。整個開通過程在0.5μs內完成,符合IGBT的開通特性。

圖8 IGBT關斷暫態

圖9 IGBT開通暫態

3.3 BUCK電路仿真

利用本文的IGBT模型,搭建了BUCK 電路,電源側施加300 V 的直流電壓源,續流電感為0.01 H,電阻為2Ω,電容為100μF,開關頻率為1 k Hz,占空比為0.6。同時采用理想開關建立相同的電路作為對比。

圖10為BUCK電路的電壓輸出結果,最終電壓在180 V 左右振蕩。圖11 為BUCK 電路的IGBT輸出特性,關斷電壓在300 V,導通電流穩定在85～92 A,與理論值相符,驗證了本文模型的有效性。

圖10 BUCK電路輸出電壓

圖11 BUCK電路IGBT輸出特性

4 結 語

本文分析了門極驅動電路對IGBT暫態過程的影響,考慮死區電壓、等效極間電容、雜散電感、拖尾電流、二極管反向恢復特性等因素建立了IGBT暫態模型。以英飛凌公司的FS820R08A6P2B IGBT模塊為例,在Vivado中用VHDL 語言建立基于FPGA的IGBT模型,搭建了雙脈沖仿真電路獲得本文模型的暫態特性,最后通過仿真以IGBT為開關的BUCK電路,驗證了本文模型的有效性。