电力电子开关单元的仿真研究

电力电子开关单元的仿真研究

0电力器件实时仿真电力器是能源电子装置的基础，其性能限制了能源系统中能源电子装置的性能。当前,电力电子装置的实时仿真研究已经展开,但这些实时仿真将电力电子器件视为理想开关,这种简化固然不影响系统级的仿真精度,但并不能预测电力电子器件的工作特性。而电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰、开关损耗等工作特性非常突出,这些问题恰恰是威胁电力电子器件乃至电力系统可靠性的重要因素。绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)具有驱动功率小、开关速度快、导通电流大、功率损耗小等优点,是目前技术成熟、应用广泛的电力电子器件。本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为例,进行电力电子器件的实时仿真研究。电力电子器件的模型有物理模型和功能模型2种。物理模型在物理本质上揭示载流子的运动规律,模型精度较高,但大多数生产商并不提供器件的物理参数,且仿真速度慢,不适用于实时仿真。功能模型将器件内部视为一个“黑匣子”,按照仿真功能的需要从元件的外部电特性出发构造模型,虽然精度不如物理模型高,但参数易提取,仿真速度快,适合用于实时仿真。目前,国内外学者采用不同的方法对电力电子器件开展了功能模型研究。文献采用线性化的方法,但没有考虑器件开关过程中的电压尖峰和电流尖峰。文献采用分段解析函数的方法,但将续流二极管的反向恢复电流峰值视为恒定值。文献采用实测数据的方法,但对于不同型号的器件,需要搭建不同的实验电路。本文根据IGBT和电力二极管的开关特性和换流过程,建立IGBT和电力二极管的换流模型,从器件数据手册获取参数,采用分段插值的方法,建立IGBT的实时仿真功能模型,参数易于获取,并且能够在很大的电压和电流范围内对电力电子器件开关过程中的关键指标进行仿真。1基本开关单元的模型建立文献提出用替代定理来说明功能模型,用电压源或电流源替代电力电子器件,并提出了电压源和电流源的选取原则和确定方法:选取的电压源和电流源必须独立,且选为电压源时需保证连续,选为电流源时需保证导数连续。本文在建立电力电子器件的功能模型时也借鉴了这一思想,并对文献所建模型进行了改进,去掉了IGBT杂散并联电容,使模型更加便于仿真计算。本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为研究对象,建立IGBT和电力二极管的功能模型。基本开关单元如图1(a)所示,包括一个IGBT、电力二极管、电压源和电流源,其中,电压源和电流源为电压源型电路和电流源型电路的替代,图中:S为IGBT的驱动信号。在换流瞬间认为U和I保持不变,在开关过程中IGBT的电流波形相对简单,因此选为电流源;根据选取的电压源和电流源必须独立的原则,电力二极管选为电压源;IGBT和电力二极管分别用受S控制的电流源和电压源替代;同时,考虑了线路的杂散电感LS1,LS2,等效电路如图1(b)所示。列写基尔霍夫电压和电流方程,有式中:iC为IGBT的集电极电流;uR为二极管的反向电压;iF为二极管的正向电流;uCE为IGBT的集射极电压。由式(2)解得,二极管电流iF=I-iC,代入式(1),有令LS=LS1+LS2,则等效电路进一步简化为图1(c),解得IGBT栅射极间电压为:可见,只要给出受控的电流iC和电压uR,便可以求得iF和uCE。下面分别从IGBT开通和关断2个过程,采用分段插值的方法建立基本开关单元的器件模型。其基本思想是:假设已知开关过程的电压、电流波形上的一些关键点,如起始点、极值点、拐点、不可导点,然后用简单解析函数分段描述开关电压电流波形。2基本开关单元的功能模型基本开关单元的开关过程分为IGBT的开通过程和关断过程,其功能模型从IGBT的开通和关断2个过程分别建立。2.1igbt的电流上升及恢复过程图2为IGBT的开通过程模型。在t=t0(on)时刻驱动IGBT开通。IGBT的开通过程也是电力二极管的关断过程,由于电力二极管反向恢复过程的存在,IGBT的集电极电流iC在开通过程中会出现电流尖峰。IGBT的开通过程主要分为4个阶段:开通延迟阶段[t0(on),t1(on)]、电流上升阶段[t1(on),t2(on)]、反向恢复阶段1[t2(on),t3(on)]和反向恢复阶段2[t3(on),t5(on)]。由图2可以得到部分阶段时刻的表达式为:式中:trr为二极管反向恢复时间;kD为常数,且0<kD<1。下面对各阶段IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR进行插值。1)开通延迟阶段:IGBT仍处于关断状态,电力二极管仍处于导通状态,漏电流和通态压降数值较小,予以忽略,视为0,即iC=0,uR=0。2)电流上升阶段:IGBT的集电极电流iC从0上升至其幅值I,电力二极管的正向电流iF相应减小但仍然处于导通状态,uR=0。根据电流导数连续的原则,IGBT的集电极电流iC用经过点1(t1(on),0),点2(t0(on)+td(on),0.1I),点3(t0(on)+td(on)+tr,0.9I)和点4(t2(on),I)并且在点1处的导数为0的二次函数进行插值,得到:式中:a1(on)为系数。结合器件数据手册中IGBT开通延迟时间td(on)(从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10%到集电极电流iC上升至其幅值的10%的时间)和电流上升时间tr(iC从其幅值的10%上升至90%的时间),在建立基本开关单元的器件模型时,认为驱动信号S电平变化的时间为0,可以推导出系数a1(on)和阶段时刻t1(on)和t2(on),即代入式(7)有:3)反向恢复阶段1:IGBT电流由于电力二极管的反向恢复过程继续上升,由其幅值I升至其峰值I+IRM,但上升速率变慢,电力二极管反向电压uR从0上升至其幅值U。IGBT电流用经过点4(t2(on),I)和点5(t3(on),I+IRM),并在点5导数为0的二次函数进行插值,得到:为简化计算,假定电力二极管反向恢复电流峰值IRM与正向电流I呈比例关系,即,则由电力二极管在额定电流IFN下的反向恢复电流峰值IRMN,可以得出。IGBT电流可以进一步表示为:电力二极管反向电压uR用经过点8(t2(on),0)和点9(t3(on),U)的一次函数进行插值,得到:即4)反向恢复阶段2:IGBT集电极电流iC随电力二极管反向恢复电流的下降而由其峰值I+IRM下降至其幅值I,由于线路杂散电感的存在,电感两端将感应出反向压降,并与电压源U一起作用于电力二极管上,在二极管两端产生电压尖峰。遵循电流连续的原则,IGBT电流分两段,即[t3(on),t4(on)]和[t4(on),t5(on)],用经过点5(t3(on),I+IRM),点6(t4(on),I+IRM/2)和点7(t5(on),I)并且在点5和点7导数为0的二次函数进行插值。其中t4(on)=t3(on)+(1-kD)trr/2。在[t4(on),t5(on)]上的插值函数为:二极管反向电压uR=U-LSdiC/dt,则在[t3(on),t4(on)]上,有t5(on)之后,IGBT处于开通状态,二极管处于关断状态,iC=I,uR=U。2.2igbt集电极电流和电力电极反向电压ur模型图3为IGBT关断过程模型。在t=t0(off)时刻驱动IGBT开通。IGBT的关断过程也是电力二极管的开通过程,这个过程主要分为3个阶段:关断延迟阶段[0,t1(off)]、电压上升阶段[t1(off),t2(off)]和电流下降阶段[t2(off),t4(off)]。由图3可以得出部分阶段时刻的表达式为:式中:kud为常数,且0<kud<1;td(off)为关断延迟时间,从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值的90%到集电极iC下降至其幅值的90%的时间,在计算td(off)时,采取与开通延迟时间td(on)相同的方法。1)关断延迟阶段:IGBT仍处于开通状态,电力二极管仍处于关断状态,iC=I,uR=U。2)电压上升阶段:IGBT电压从0增大到其幅值U,电力二极管反向电压相应减小并仍然关断,IGBT电流保持其幅值I不变,即iC=I。电力二极管反向电压用经过点3(t1(off),U)和点4(t2(off),0)的一次函数进行插值,得到:3)电流下降阶段:IGBT集电极电流iC从其幅值I下降至0,电力二极管电流iF相应上升,遵循电流导数连续的原则,IGBT电流分两段用二次函数进行插值。在[t3(off),t4(off)](t4(off)=t3(off)+1.5tf,其中tf为电流下降时间,集电极电流iC从其幅值的90%下降至10%所需时间)上,类比于开通过程IGBT电流上升阶段,有在[t2(off),t3(off)]上,用经过点1(t2(off),I),点2(t3(off),0.9I)并在点1导数为0,在点2导数与在[t3(off),t4(off)]上相等的二次函数进行插值,得到:忽略电力二极管正向恢复过程,则电力二极管反向电压,uR=0。t4(off)之后,IGBT处于关断状态,电力二极管处于开通状态,iC=0,uR=0。综上所述,IGBT集电极电流iC和电力二极管反向电压uR的模型为:可以看出,该模型为工作电压U、工作电流I和时间t的函数,只要给定U,I和驱动信号S发生电平跳变的时刻,便可以确定IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR,进而得出IGBT集射极间电压uCE和电力二极管的正向电流iF。iC用二次函数进行插值,uR用一次函数进行插值,具有较快的计算速度,可以满足实时仿真的要求。3开关损耗仿真在现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray,FPGA)中对模型进行了实时仿真,IGBT和电力二极管的型号为三菱公司的IGBT模块CM1200DC-34N,杂散参数LS=100nH,工作点U=850V,I=600A,IGBT和电力二极管开关过程的仿真结果见附录A图A1。IGBT模块的开关电压、电流得到以后,可以通过积分运算获得开关损耗能量,即同样,对850V电压下,IGBT的开通损耗Eon、关断损耗Eoff和电力二极管的反向恢复损耗Erec随电流的变化进行了仿真,将仿真结果与数据手册所给的典型值绘在一起,如图4所示。开关损耗仿真结果均能落在典型值附近。仿真结果表明,本文IGBT和电力二极管的实时仿真能够反映电力电子器件开关过程中的电压、电流尖峰和开关损耗等关键指标。4igbt和电力电极的实时仿真方法IGBT和电力二极管的实时仿真方法可以推广至其他电力电子器件,如电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等。电力电子电路的基本开关单元通过组合可