基于Simplorer的IGBT模块建模与仿真

基于Simplorer的IGBT模块建模与仿真 一、 IGBT模块建模过程,以英飞凌IGBT模块FF400R06KE3为例 1、选取高级模型,如图1.

图 1
2、根据IGBT数据手册查找相对应的参数,具体参数如图2所示。该模块包含两个单管,所以单个IGBT正常工作电压为300V。

图 2
3、同样查找、填写参数,如图3。

图 3
4、提取文档中Ic=f(Vge)的图片,分别提取25?、150?的对应关系。

图4

图5 Ic=f(Vge)拟合曲线与文档曲线对比图 5、提取文档中Ic=f(Vce)的图片,分别取Vge为13V、15V。

图6

图7 Ic=f(Vce)拟合曲线与文档曲线对比图
6、提取文档中If=f(Vf)的图片,分别提取25?、150?的对应关系

图8

图9 If=f(Vf)拟合曲线与文档曲线对比图
7、隔热设置

图10
8、在文档中找到对应参数填入,执行后生成测试电路,如图11-13.

图11

图12

图13
二、 IGBT模块 FF400R06KE3模型的电路测试与应用仿真 1、自动生成的测试电路如图14所示,仿真时间设置如图15。

图14

图15

图16 栅级驱动波形

图17 Vce电压

图18 开通过程IGBT过电流波形
测试波形证明设计的IGBT符合使用要求,并且工作良好,满足快速性的动态要求,而且可以突出管子内部寄生电感电容参数对开关过程的影响。可以从二次开通的过电流看出。同时,在12us的时刻IGBT关断过程中的电流拖尾现象可以很早地被仿真出来。
2、IGBT双脉冲测试电路如图18所示。其中电源电压设置为100V。t0时,门极电压拉高,VT2饱和导通,电源电压加到电感上,电感电流线形上升,如图21所示。
T1时刻,VT2关断电感电流通过上管二极管续流。T2时刻,第二个脉冲到达,VT2开通,VT2续流二极管出现反向恢复,如图22所示,t2时出现了一个大约为1A的电流尖峰即为反向恢复电流。
其中t0与t2时刻,观察IGBT的关断过程,由于杂散电感的存在,电流急剧变化会在管子产生电压尖峰。实际应用中,IGBT关断时刻的风险远大于开通时刻,所以由仿真确定的电压峰值大小对实际应用中的管子选型可以提供很大的帮助。

图18 IGBT双脉冲测试电路

图19 栅级驱动电压

图20 IGBT VT2 Vce电压波形

图21 VT2 过电流

图22 反向恢复电流尖峰
3、电路实际应用仿真,全桥逆变LC谐振升压电路接高频变压器,多应用于高电压小电流的场合,根据负载要求选择变压器变比。仿真中选择1:2的变比,直流母线电压200V。变压器原变电容电压如图25所示稳态是电压峰值为750V,再通过变压器升压到峰值为1500V,如图24。谐振电流如图27。

图23 逆变LC谐振升压拓扑

图24 负载电阻电压

图25 原变电容电压

图26 VT1门极驱动电压

图27 电感电流

图28 VT1 Vce
由图28可以看出,IGBT在关断过程中承受的大电压原因超过了正常工作电压的范围,分析如下,VT1关断之前,电流处于反向,如,29黑线所示,电流通过VT1与VT3的反向耳机管续流,此时管电压为0V,
由图31可见,电容对电感充电,电感电流反向增大,向电源回馈能量。
在0.15ms时刻,VT1,VT3在门极驱动信号下关断,VT2、VT4开通,电流完成换流过程,其中流过VT1的电流迅速减小,由于IGBT内部寄生电感的影响,由图31可以看到,在元件电压产生了非常高的电压尖峰,仿真数据接近为1.75KV,远高于IGBT正常工作电压。所以仿真结果证明该型号器件是无法直接使用的,需要外部增加吸收电路。

图29 LC谐振换流过程1

图30 LC谐振换流过2

图31 IGBT关断过程中的电压尖峰

图32 换流过程中的大电流
总结:simplorer仿真软件的器件高级模型的建立对实际工程应用中器件的选型以及外部电路的设计都具有指导性的意义。本次仿真说明文件以高电压场合常用的LC谐振升压拓扑为例可以说明。对于逆变器输出电流短时间大范围变化的应用场合,在实际使用过程中由于开关元件内部存在寄生电感电容参数对器件的外电压有着巨大的影响,尤其在关断过程中很有可能远远超过正常工作电压,损坏元件。相比于其他软
件如PSIM、simulink等的理想开关模型仿真,simplorer提供的高级器件模型可以很好地在仿真结果中
反映这些动态过程,对实际的工程应用具有很大的意义。