寄生參數(shù)對(duì)IGBT 關(guān)斷浪涌電壓影響的仿真建模

李巖磊，劉 直，李 陽(yáng)，代 鵬，陳明遠(yuǎn)，杜玉亮

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼具了MOSFET 和BJT 驅(qū)動(dòng)功率小且飽和壓降低的優(yōu)勢(shì)。它的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了家電市場(chǎng)和各類工業(yè)輸變電裝置及牽引電動(dòng)機(jī)控制［1］。然而，IGBT 通常具有較大的功率負(fù)荷和較高的運(yùn)行頻率，伴隨著快速通斷的工作狀態(tài)，電壓和電流會(huì)發(fā)生極大的變化，由于該器件的電壓和電流都存在反向恢復(fù)特性，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性會(huì)受到開關(guān)特性等相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)影響［2］。其中，浪涌電壓等過電壓，以及相應(yīng)產(chǎn)生的過電流，不僅使其開關(guān)損耗增大，管殼溫度升高，更可能使其擊穿燒壞，已成為IGBT 功率模塊失效的重要原因之一［3］。因此，為提高IGBT 封裝模塊的建模仿真精度，浪涌電壓的研究對(duì)于系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估、損耗和電磁兼容性的計(jì)算、電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化、系統(tǒng)安全性的提高具有參考意義。

針對(duì)IGBT 浪涌電壓的研究，目前多聚焦于對(duì)其進(jìn)行抑制的方法探索，包括采用有源箝位電路［4］等抑制吸收電路［5］、增加?xùn)艠O電阻、降低主電路的分布電感［6］等。然而，對(duì)于浪涌電壓本身的來(lái)源和特性分析，目前展開的研究較為有限，而通過定量化研究加深對(duì)其形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，不僅有助于在IGBT 封裝模塊設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，更可以方便工程師在電路設(shè)計(jì)時(shí)有針對(duì)性地采取抑制措施，從而保障可靠性并實(shí)現(xiàn)電路優(yōu)化。試驗(yàn)上常通過雙脈沖測(cè)試等方法進(jìn)行研究［7］，但是測(cè)試電路自身參數(shù)與實(shí)際難以匹配，且測(cè)試成本較高。理論上通常可通過基本的電路原理獲得浪涌電壓大致量級(jí)［8］或大致波形［4］，較為精確的方法是在電路中設(shè)置假定的分布電感，搭建更為精確的電路模型并計(jì)算獲得［5］，但由于分布電感的來(lái)源和大小并不明確，以此方式獲得的波形和電壓幅值并不具備現(xiàn)實(shí)的參考意義。

文中將根據(jù)IGBT 封裝、層疊母排和功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立精確的電磁場(chǎng)模型，采用矩量法（The Method of Moments，MOM）原理求解回路中主要器件的寄生電感、寄生電阻和寄生電容，以此為基礎(chǔ)建立逆變器單橋臂精確電路模型，測(cè)試得到IGBT 關(guān)斷短路工況下的浪涌電壓，并將結(jié)果與非精確電路所得浪涌電壓對(duì)比驗(yàn)證該結(jié)果將有助于從機(jī)理上進(jìn)一步了解IGBT 浪涌電壓的來(lái)源，為電磁兼容等優(yōu)化設(shè)計(jì)、損耗計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有價(jià)值的參考。

1 IGBT 原理、特性和寄生參數(shù)

IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在IGBT 工作時(shí)由柵極電壓控制其關(guān)斷和開通，整個(gè)開啟過程與MOS 管的開啟過程完全一致，極其迅速，當(dāng)柵極電壓為正向時(shí)會(huì)形成溝道，以給PNP 晶體管提供基極的電流，從而形成導(dǎo)通狀態(tài)；與之相反的當(dāng)柵極電壓為反向時(shí)，不會(huì)形成溝道，基極流過相反的電流造成MOS 管斷開，即IGBT 關(guān)斷。

圖1 IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖[1]

IGBT 有輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，都屬于靜態(tài)特性，而開通關(guān)斷過程相關(guān)的動(dòng)態(tài)特性更值得關(guān)注，在開通過程會(huì)產(chǎn)生過電壓和過電流，斷開過程電流會(huì)有拖尾效應(yīng)。只要主回路電感不太大，不會(huì)感應(yīng)出過高的浪涌電壓，然而如負(fù)載發(fā)生短路故障，流過元件的可能會(huì)非常大，進(jìn)而導(dǎo)致集電極產(chǎn)生過電壓，使得IGBT 損壞。

在IGBT 高速的通斷過程中，會(huì)產(chǎn)生很大的電流變化率和電壓變化率，使得系統(tǒng)中包含很大的高頻成分，且頻率的高低與變化率的大小成正比。對(duì)于IGBT 封裝模塊、線纜、PCB 板等電元器件存在寄生參數(shù)，在低頻環(huán)境中，這些電元器件的寄生參數(shù)產(chǎn)生的影響比較小，然而處于高頻段時(shí)電元器件的對(duì)外實(shí)質(zhì)性質(zhì)不再以單一形式體現(xiàn)，因此導(dǎo)致寄生參數(shù)的影響非常嚴(yán)重［9］。

2 單橋臂精確建模理論

文中以某型牽引變流器的單橋臂電路為主要研究對(duì)象，該電路包括直流側(cè)的層疊母排、功率模塊以及某型IGBT 封裝模塊，該IGBT 封裝模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，此模塊的組成部分主要包括：隔離基板、鋁基板、3 個(gè)IGBT 芯片以及3 個(gè)續(xù)流二極管（FWDs）芯片。

圖2 IGBT 封裝模塊內(nèi)部電路示意圖

2.1 單橋臂建模計(jì)算方法

文中的建模方法主要是采用矩量法提取準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)下的寄生參數(shù)，同時(shí)結(jié)合IGBT 內(nèi)核芯片的等效電路，提出一種針對(duì)IGBT 浪涌電壓進(jìn)行精確建模仿真的方法，并針對(duì)IGBT 關(guān)斷短路工況下的浪涌電壓進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。具體步驟為：

（1）逆變回路器件寄生參數(shù)提取

基于各個(gè)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個(gè)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，利用有限元方法求解電磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，其中寄生電感L、寄生電阻R、寄生電容C的求解均采用矩量法［10］原理獲得。

（2）IGBT 動(dòng)態(tài)內(nèi)核建模

測(cè)試和分析IGBT 的關(guān)斷浪涌電壓需要IGBT相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)來(lái)源于IGBT 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，據(jù)此可建立IGBT 動(dòng)態(tài)內(nèi)核等效電路模型及合適的動(dòng)態(tài)測(cè)試電路。

（3）單橋臂精確電路模型建立

單橋臂精確模型的建立是通過應(yīng)用提取寄生參數(shù)的有限元模型和IGBT 動(dòng)態(tài)模型對(duì)理想元器件進(jìn)行替換，引入器件寄生參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)系統(tǒng)的影響更加有助于對(duì)IGBT 的浪涌電壓進(jìn)行精確的分析和測(cè)試。

2.2 器件寄生參數(shù)提取方法

通過電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)和磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的方式采用矩量法計(jì)算求解元器件的寄生參數(shù)，其中電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)能夠求解計(jì)算得到電容C和電導(dǎo)參數(shù)G，而電感參數(shù)L和電阻參數(shù)R則是以磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算。

當(dāng)庫(kù)倫電場(chǎng)遠(yuǎn)大于渦旋電場(chǎng)的條件下，可以忽略電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中二次源?B/?t的作用影響，具體關(guān)于電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的方程組可以由麥克斯韋方程組進(jìn)行描述，方程為式（1）［11］：

同理，當(dāng)傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流時(shí)，位移電流?D/?t在磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的影響作用可以忽略，描述磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的麥克斯韋方程組為式（2）［11］：

文中采用近年來(lái)實(shí)際工程問題中應(yīng)用較為廣泛的矩量法求解準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)方程組，提取器件的寄生參數(shù)。

2.3 IGBT 動(dòng)態(tài)特性仿真方法

通過IGBT 的動(dòng)態(tài)模型［11］可實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)特性的仿真分析，在IGBT 的動(dòng)態(tài)模型中能夠考慮其輸出特性、傳輸特性、開關(guān)延遲以及二極管偏壓特性等，同時(shí)動(dòng)態(tài)模型具有高精度的特點(diǎn)。IGBT 動(dòng)態(tài)模型的準(zhǔn)確建立對(duì)于浪涌電壓系統(tǒng)級(jí)仿真分析具有一定的參考意義。某型號(hào)IGBT 搭建的等效電路模型如圖3 所示。

圖3 IGBT 動(dòng)態(tài)等效電路模型

3 仿真分析模型

逆變器功率單元中的寄生參數(shù)類型主要包括IGBT 內(nèi)部封裝電路寄生參數(shù)、直流回路（層疊母排和功率模塊）寄生參數(shù)。參數(shù)提取基于國(guó)產(chǎn)的Simdroid 多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)進(jìn)行建模計(jì)算，主要步驟包括幾何建模、材料設(shè)置、網(wǎng)格剖分、物理場(chǎng)設(shè)置求解和結(jié)果后處理等。

3.1 IGBT 封裝模型

IGBT 封裝模塊中的3 個(gè)IGBT 芯片和3 個(gè)二極管芯片通過多層PCB 板連接，如圖4 所示。建立IGBT 封裝的有限元模型，提取內(nèi)部電路的寄生參數(shù)。

圖4 IGBT 封裝板

該型IGBT 封裝板包含鋁基板、環(huán)氧樹脂板、芯片和銅板層，芯片通過環(huán)氧樹脂安裝在鋁基板上，銅板層用于連接芯片，同時(shí)環(huán)氧樹脂也作為銅板之間的絕緣材料。在三維模型基礎(chǔ)上創(chuàng)建封裝板的有限元模型，并在準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)中，通過矩量法提取不同頻率下的寄生參數(shù)。掃描頻率范圍取500 Hz～30 MHz，掃描間隔則采用Log 以50 Hz 等間隔取。所提取寄生參數(shù)曲線如圖5 所示。

圖5 IGBT 封裝板寄生參數(shù)

3.2 層疊母排模型

層疊母排屬于逆變系統(tǒng)的直流回路環(huán)節(jié)，在直流回路環(huán)節(jié)，層疊母排的輸入為整流后的直流電，經(jīng)層疊母排輸送給逆變器。層疊母排可分3層：一層為P 極，一層為N 極，中間層為很薄的絕緣材料，三維模型如圖6 所示。

圖6 層疊母排

按照處理IGBT 封裝板的方式，建立層疊母排的有限元模型，并根據(jù)矩量法提取母排的寄生參數(shù)，所得寄生參數(shù)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 層疊母排寄生參數(shù)

3.3 功率模塊模型

功率模塊包含多個(gè)IGBT 封裝板，通過板層結(jié)構(gòu)連接各個(gè)IGBT、直流回路以及三相交流支路，如圖8 所示。

圖8 功率模塊

按照上述處理方式，建立功率模塊的有限元模型，并根據(jù)矩量法提取寄生參數(shù)，所得寄生參數(shù)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 功率模塊寄生參數(shù)結(jié)果

3.4 單橋臂電路模型

文中基于Simulink 平臺(tái)進(jìn)行電路仿真，考慮逆變器功率單元主回路中的以上3 種寄生參數(shù)，搭建逆變器單橋臂精確電路，開展IGBT 關(guān)斷短路工況下的浪涌電壓測(cè)試研究。

在逆變器模塊中，各個(gè)器件都存在著分布電感與電容等寄生參數(shù)。根據(jù)不同回路中的寄生參數(shù)搭建逆變器單橋臂單元的寄生參數(shù)分布等效電路，如圖10 所示，Cs為支撐電容，Ls1與Ls2為直流主回路中的寄生電感，即層疊母排的寄生參數(shù)；L1、L2、L3、L4、C1和C2為單橋臂回路中的寄生參數(shù)，即功率模塊的寄生參數(shù)；Ld1～Ld4和Cd1～Cd2為驅(qū)動(dòng) 回路的寄生參數(shù)，即IGBT 封裝的部分寄生參數(shù)。

圖10 含寄生參數(shù)的單橋臂等效電路

根據(jù)上述IGBT 內(nèi)核動(dòng)態(tài)模型和圖2 中的IGBT 封裝內(nèi)部電路搭建精確的IGBT 封裝電路，如圖11 所示。然后結(jié)合IGBT 封裝精確電路模型和各個(gè)回路寄生參數(shù)提取結(jié)果，根據(jù)上述單橋臂等效電路，建立單橋臂精確電路模型，如圖12 所示。

圖11 IGBT 封裝精確電路

圖12 單橋臂精確電路

4 結(jié)果與討論

4.1 浪涌電壓仿真結(jié)果對(duì)比

以3 600 V 的直流母線電壓，分別仿真計(jì)算理想器件構(gòu)建的單橋臂電路模型、考慮動(dòng)態(tài)內(nèi)核的單橋臂電路模型和考慮動(dòng)態(tài)內(nèi)核與寄生參數(shù)的單橋臂精確電路模型在IGBT 關(guān)斷短路工況時(shí)的浪涌電壓，結(jié)果如圖13～圖15 所示。

圖13 理想電路IGBT 浪涌電壓

圖14 考慮動(dòng)態(tài)內(nèi)核IGBT 浪涌電壓

圖15 考慮內(nèi)核與寄生參數(shù)IGBT 浪涌電壓

由圖可知3 種不同精度模型的涌浪電壓幅值與持續(xù)時(shí)間見表1。

表1 不同模型的浪涌電壓對(duì)比

從上述結(jié)果可知，理想器件單橋臂電路中，IGBT 關(guān)斷過程中不存在浪涌電壓；考慮動(dòng)態(tài)內(nèi)核模型的單橋臂電路中，IGBT 關(guān)斷過程存在著較小的浪涌電壓，電壓尖峰值達(dá)到3 859.2 V，振蕩維持約0.4 μs；而考慮動(dòng)態(tài)內(nèi)核與寄生參數(shù)影響的單橋臂精確電路中，IGBT 關(guān)斷過程在浪涌電壓明顯增大很多，尖峰電壓值高達(dá)4 362.8 V，振蕩時(shí)間將持續(xù)約1.2 μs。對(duì)比僅考慮IGBT 動(dòng)態(tài)特性的情況，建立各個(gè)回路寄生參數(shù)的精確模型，IGBT 關(guān)斷過程的尖峰值增大了約13.05%，振蕩時(shí)間延長(zhǎng)了約200%。

4.2 寄生參數(shù)對(duì)浪涌電壓的影響

從上述仿真結(jié)果中可知，在IGBT 的關(guān)斷過程中，功率模塊的寄生參數(shù)、層疊母排寄生參數(shù)和IGBT 封裝內(nèi)部的寄生參數(shù)等對(duì)IGBT 浪涌電壓值具有顯著的影響，進(jìn)而影響逆變器等功率設(shè)備的工作性能。

在IGBT 關(guān)斷短路工況換流時(shí)，由于電流變化率很高且回路中存在寄生電感，回路中的電感會(huì)阻止負(fù)載電流的換向，從而在IGBT 中感應(yīng)出過電壓，此過電壓即為IGBT 關(guān)斷短路工況時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。另外寄生電容和寄生電感還可能進(jìn)一步引起振蕩，從而對(duì)電路元器件或通過電磁輻射對(duì)環(huán)境造成干擾。

綜合圖5、圖7、圖9 所得各器件寄生參數(shù)結(jié)果，可知本次研究對(duì)象的寄生電感范圍約60～400 nH，寄生電阻范圍約0～60 mΩ，寄生電容范圍約0～450 pF。為研究不同寄生參數(shù)對(duì)浪涌電壓值的影響情況，根據(jù)上述取值范圍對(duì)各個(gè)寄生參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，所得分析結(jié)果如圖16～圖18所示。

圖16 寄生電感對(duì)浪涌電壓的影響

圖17 寄生電阻對(duì)浪涌電壓的影響

圖18 寄生電容對(duì)浪涌電壓的影響

對(duì)比圖16～圖18 結(jié)果可知，在本次研究對(duì)象的寄生電感范圍內(nèi)關(guān)斷峰值電壓的變化值高達(dá)約679 V，而寄生電阻范圍內(nèi)關(guān)斷峰值電壓變化值為30 V 左右，寄生電容范圍內(nèi)關(guān)斷峰值電壓變化值僅為2.5 V。因此，在IGBT 關(guān)斷過程中，3 種寄生參數(shù)中寄生電感對(duì)關(guān)斷浪涌電壓影響最大，浪涌電壓隨著寄生電感的增大而增大；而所考慮的3 種器件中層疊母排和功率模組對(duì)關(guān)斷浪涌電壓影響較大，并且層疊母排和功率模組的寄生參數(shù)對(duì)浪涌電壓的影響基本一致，這是因?yàn)閷盈B母排和功率模組的寄生參數(shù)基本都屬于直流回路參數(shù)。另外，IGBT 封裝的寄生參數(shù)屬于驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)，對(duì)關(guān)斷浪涌電壓產(chǎn)生的影響較小。

綜上所述，直流回路器件的寄生電感較大時(shí)會(huì)造成IGBT 關(guān)斷浪涌電壓過大，因此可考慮從直流回路器件的寄生參數(shù)角度抑制浪涌電壓。

5 結(jié)論

文中提出了一種針對(duì)IGBT 浪涌電壓進(jìn)行精確仿真的方法。首先使用矩量法對(duì)逆變電路中主要器件的寄生參數(shù)進(jìn)行提取，結(jié)合IGBT 動(dòng)態(tài)建模方法建立其動(dòng)態(tài)內(nèi)核模型，并基于此建立逆變器單橋臂電路的精確模型，針對(duì)IGBT 關(guān)斷短路工況開展了單橋臂精確電路的浪涌電壓仿真測(cè)試，并與非精確電路模型結(jié)果對(duì)比。結(jié)果顯示，回路中器件的寄生參數(shù)對(duì)IGBT 浪涌電壓有很大影響，驗(yàn)證了器件寄生參數(shù)是IGBT 產(chǎn)生浪涌電壓的主要原因之一。相比采用等效電路法研究寄生參數(shù)對(duì)IGBT 浪涌電壓的影響，本方法中的模型與結(jié)果更加貼近實(shí)際，更具有工程應(yīng)用價(jià)值。

同時(shí)，采用參數(shù)化分析方法，探究了回路中各器件寄生參數(shù)對(duì)IGBT 關(guān)斷浪涌電壓的影響，結(jié)果表明直流回路中層疊母排和功率模組器件的寄生電感對(duì)浪涌電壓影響最大。

文中所建模型和仿真結(jié)果有助于電路設(shè)計(jì)者、電氣工程師等開展IGBT 和封裝模塊的可靠性驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)。而基于該方法可以針對(duì)浪涌電壓抑制電路進(jìn)行精確的仿真建模，為相關(guān)人員開展虛擬測(cè)試驗(yàn)證提供一種新的思路。