本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，更具體涉及一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法。
背景技術(shù)：
：：目前，仿真技術(shù)已全面進(jìn)入實(shí)時(shí)化仿真時(shí)代，實(shí)時(shí)仿真以其更加接近實(shí)際系統(tǒng)的仿真環(huán)境成為仿真領(lǐng)域的發(fā)展方向，實(shí)時(shí)仿真的發(fā)展更使數(shù)字物理混合仿真成為可能，為控制保護(hù)裝置開發(fā)與測(cè)試、新型電力電子裝置研發(fā)提供了更加靈活與便捷的手段。現(xiàn)有實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)最小可達(dá)微秒級(jí)，仿真規(guī)模在一定優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，已具備512電平左右MMC換流閥的仿真能力，能夠較好的反應(yīng)裝置穩(wěn)態(tài)以及系統(tǒng)暫、穩(wěn)態(tài)的過程。但是，實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在納秒級(jí)開關(guān)暫態(tài)仿真方面尚無實(shí)際應(yīng)用，然而，對(duì)于電力電子領(lǐng)域而言，最底層的設(shè)備是器件，器件的暫態(tài)過程必然與裝置的暫態(tài)過程相耦合，因此在不能反應(yīng)器件暫態(tài)過程的仿真中研究電力電子狀裝置的暫態(tài)過程是不全面的。另一方面，電力電子裝置的故障常因器件故障引起，器件的故障也屬于器件暫態(tài)過程的范疇，對(duì)器件失效機(jī)理以及失效后與裝置間的交互影響尚無技術(shù)手段開展研究，另外，現(xiàn)有設(shè)備對(duì)器件的利用存在一定的裕量，對(duì)器件利用安全域的研究十分必要。IGBT器件的建模研究主要有機(jī)理建模和行為建模兩大類。機(jī)理模型完全基于IGBT內(nèi)部的半導(dǎo)體物理機(jī)理，因此也稱為“物理模型”，它從載流子的漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、空間電荷的連續(xù)性以及與電場(chǎng)的關(guān)系出發(fā)，依據(jù)器件幾何結(jié)構(gòu)建立模型，描述器件的物理過程，由于它正確的揭示了器件底層的物 理信息，所以電路仿真往往與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有更好的一致性，但機(jī)理模型直接和器件的結(jié)構(gòu)材料等關(guān)聯(lián)，需對(duì)器件運(yùn)行機(jī)制甚至材料特性有相當(dāng)?shù)牧私猓瑓?shù)提取復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型解算困難。行為模型忽略了器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不考慮IGBT內(nèi)部物理機(jī)理，器件僅被看作一個(gè)“黑盒子”，只對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行分析，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程、表格、子電路或框圖的形式建模，因此也被稱為“宏模型”、“經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀被蛘摺肮δ苣Ｐ汀薄＜夹g(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，避免仿真模型僅側(cè)重于某一個(gè)方面功能和性能的缺點(diǎn)，且同時(shí)兼顧仿真精度和計(jì)算速度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，包括：建立靜態(tài)模型；建立動(dòng)態(tài)模型；建立熱模型；通過所述模型搭建可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型。本發(fā)明提供的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，所述靜態(tài)模型的建立過程包括：采用分段函數(shù)模擬MOSFET溝道電流；修正所述MOSFET溝道電流；模擬不同工作條件下IGBT的集電極電流。本發(fā)明提供的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，所述分段函數(shù) 如下式：IC=VceRce,(Vge<Vth,dICdt=0)kf2[(VGE-Vth)(f1VCE-VD)-(f1VCE-VD)22](Vce<Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=kf2(VGE-Vth)2,(Vce≥Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=Itaile-(t-t0)/τ,(Vge<Vth,dICdt<0,Ic>VceRce)]]>其中，K為MOSFET溝道的跨導(dǎo)；VT為MOSFET溝道導(dǎo)通閾值電壓；VCE為IGBT集射極電壓；Ic為流過IGBT電流即集電極電流；f1和f2為修正函數(shù)；Rce為通態(tài)電阻；Vge為柵射極電壓；τ為少數(shù)載流子壽命即拖尾時(shí)間常數(shù)；t為仿真時(shí)間；t0為拖尾電流起始時(shí)間；Itail為拖尾電流；Vth為閾值電壓；VD為通態(tài)壓降。本發(fā)明提供的另一優(yōu)選的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，所述修正函數(shù)f1和f2為二階多項(xiàng)式，是對(duì)所述MOSFET的溝道電流進(jìn)行修正，使得到的電流結(jié)果能精確反映IGBT的集電極電流。本發(fā)明提供的再一優(yōu)選的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，所述動(dòng)態(tài)模型的建立過程包括：用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模擬影響IGBT器件的開通延遲時(shí)間和關(guān)斷的拖尾電流；獲取寄生電容參數(shù)。本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，通過輸入電容Cies、輸出電容Coes、反饋電容Cres與IGBT集射極電壓VCE的變化曲線獲取寄生電容參數(shù)。本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，所 述熱模型受溫度影響變化的IGBT器件內(nèi)部電氣參數(shù)包括過剩載流子壽命τ，柵極門檻電壓VT和跨導(dǎo)KP；并通過下式確定：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(t0)(T0Tj)0.8]]>其中，τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分別為過剩載流子濃度，門檻電壓，跨導(dǎo)參數(shù)在常溫T0時(shí)的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)為溫度為Tj時(shí)的值；Kth為門檻電壓的系數(shù)。本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，搭建所述單個(gè)IGBT模塊，然后將其串聯(lián)，并在器件級(jí)仿真平臺(tái)上建立由多個(gè)IGBT器件串、并聯(lián)組成的裝置。本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，通過可編輯邏器實(shí)現(xiàn)IGBT納秒級(jí)實(shí)時(shí)化仿真。和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果1、本發(fā)明提供的技術(shù)方案提出IGBT模型能夠準(zhǔn)確反映IGBT的各種工作狀態(tài)，而且可以模擬電流電壓尖峰、米勒平臺(tái)、拖尾電流、二極管反向恢復(fù)電流等開關(guān)暫態(tài)特性以及IGBT模塊熱電耦合特性；2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案準(zhǔn)確反映IGBT開關(guān)暫態(tài)，減小器件的降額使用，降低設(shè)備對(duì)器件留有的裕量，從而降低成本，提高器件利用率，避免了因?yàn)槭芷骷β仕降南拗坪驮谀承┐笕萘俊⒊笕萘康碾娏﹄娮友b置設(shè)計(jì)中需要大量器件的串、并聯(lián)，甚至無法實(shí)現(xiàn)；3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案建模過程簡(jiǎn)單，參數(shù)易于提取，在準(zhǔn)確仿真 IGBT器件的開關(guān)電壓、電流波形的同時(shí)，兼顧了溫度對(duì)器件本身的影響，在FPGA上達(dá)到納秒級(jí)實(shí)時(shí)化的仿真計(jì)算速度和效率，增加仿真結(jié)果真實(shí)性；4、本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以精確預(yù)測(cè)IGBT的工作行為，了解其內(nèi)部工作機(jī)理和研究電力電子工作狀態(tài)，并可以反映IGBT器件開關(guān)暫態(tài)對(duì)裝置安全運(yùn)行的影響，在解決工程中實(shí)際問題的同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的技術(shù)方案用于電力電子裝置納秒級(jí)實(shí)時(shí)仿真的IGBT器件模型示意圖；圖2為本發(fā)明提供的技術(shù)方案用于模塊化多電平換流器MMC仿真模型示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例1：本例的發(fā)明提供一種可實(shí)時(shí)化的IGBT仿真模型建立方法，所述方法對(duì)IGBT的建?；诎雽?dǎo)體器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的等效電路，采用機(jī)理與行為混合的技術(shù)路線，從器件的內(nèi)部工作原理和物理結(jié)構(gòu)出發(fā)獲得器件仿真模型，允許在納秒級(jí)仿真速度下，較為精確的反應(yīng)IGBT暫態(tài)運(yùn)行情況。模型中包含如圖1所示，門極電阻、MOSFET、固定及可變電容、BJT部分。擬建成的IGBT模型如圖1所示，Rg為門極電阻；Ig為門極電流；Cgs、Cgd和Cds與等效電容兩端電壓值有關(guān)，因此為變值電容；Vg為門極電壓；Imos為MOSFET溝道導(dǎo)電電流；Itail為關(guān)斷時(shí)流過BJT的拖尾電流；Ls為外部雜散電感；g，s，d分別表示MOSFET部分的門極、源極和漏極。由于IGBT自身與BJT的輸出特性基本一致，其轉(zhuǎn)移特性與MOSFET一致，因此可以將IGBT看成一個(gè)由n溝道MOSFET和PNP型BJT組成的器件。該模型具體分為兩個(gè)部分：第一部分為IGBT靜態(tài)模型，用可控電流源實(shí)現(xiàn)靜態(tài)直流特性分析；第二部分為IGBT動(dòng)態(tài)模型，在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上，引進(jìn)動(dòng)態(tài)元件電容，實(shí)現(xiàn)IGBT的開關(guān)暫態(tài)特性分析。所述方法包括：1.靜態(tài)模型靜態(tài)模型采用分段函數(shù)模擬MOSFET溝道電流，并在最后添加了拖尾函數(shù)，以真實(shí)反映IGBT關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的拖尾電流現(xiàn)象。分段函數(shù)如下(1)式：IC=VceRce,(Vge<Vth,dICdt=0)kf2[(Vge-Vth)(f1Vce-VD)-(f1Vce-VD)22](Vce<Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=kf2(Vge-Vth)2,(Vce≥Vge-Vth+VD,Vge≥Vth)IC=Itaile-(t-t0)/τ,(Vge<Vth,dICdt<0,Ic>VceRce)---(1)]]>其中K為MOSFET溝道的跨導(dǎo)；VT為MOSFET溝道導(dǎo)通閾值電壓；VCE為IGBT集射極電壓；Ic為流過IGBT電流即集電極電流。f1和f2為修正函數(shù)。根據(jù)IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以提取K和VT。當(dāng)IGBT處于放大區(qū)時(shí)，根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)的輸出特性曲線Ic-Vce提取多個(gè)I-V點(diǎn)反映整個(gè)IGBT靜態(tài)特性，在飽和區(qū)內(nèi)，在同一Vce下，讀取數(shù)據(jù)，繪制與VGE曲線。電流兩邊取根號(hào)，可得如下表達(dá)式：Icsat=K2(Vge-VT)---(2)]]>根據(jù)曲線斜率和截距即可提取K和VT，當(dāng)IGBT處于飽和區(qū)時(shí)，得如下 表達(dá)式：IcVce=K(Vge-VT-Vce2)---(3)]]>同理可提取K和VT。f1和f2為二階多項(xiàng)式，是對(duì)MOSFET的溝道電流進(jìn)行修正，修正后的MOSFET溝道電流，符合IGBT特性，更接近IGBT電流值，使得到的電流結(jié)果能精確反映IGBT的集電極電流。將修正后的分段函數(shù)等效為一個(gè)壓控電流源，對(duì)應(yīng)其分別工作與截止區(qū)、飽和區(qū)和放大區(qū)。修正函數(shù)f1和f2如下：f1VCE(sat)＝VGE-Vth+VD(4)IC(sat)f2=k(VGE-Vth)22---(5)]]>多項(xiàng)式形式表達(dá)：f1=a0+a1VGE+a2VGE2---(6)]]>f2=b0+b1VGE+b2VGE2---(7)]]>常數(shù)a和b可通過IGBTDataSheet中IC-VCE特性得到。首先在VGE＝VGE1，記錄飽和區(qū)的點(diǎn)坐標(biāo)(IC1(sat)，VCE1(sat))。在不同的VGE，一共收集類似的3個(gè)點(diǎn)。將式子(4)(5)(6)(7)合并，并代入合理的VD，Vth，k，得到：VD+VGE-VthVCE(sat)=a0+a1VGE+a2VGE2---(8)]]>2IC(sat)k(VCE-Vth)2=b0+b1VGE+b2VGE2---(9)]]>前3個(gè)等式得到a0，a1，a2，后三個(gè)等式得到b0，b1，b2。當(dāng)這些常數(shù)全部確定后，可得修正函數(shù)f1和f2。如果通過其他更多數(shù)據(jù)計(jì)算多項(xiàng)式系數(shù)，高階多項(xiàng)式也可以實(shí)現(xiàn)。2.動(dòng)態(tài)模型拖尾電流是由于IGBT存在PNP晶體管，關(guān)斷過程中大量過剩載流子復(fù)合需要時(shí)間，使得關(guān)斷電流會(huì)有較長(zhǎng)的拖尾時(shí)間。拖尾時(shí)間取決于載流子壽命和基區(qū)寬度。式(1)中，關(guān)斷拖尾電流部分等效用指數(shù)衰減函數(shù)描述，其中τ為拖尾時(shí)間常數(shù)，通常取經(jīng)驗(yàn)值，t0為拖尾電流起始時(shí)間，關(guān)斷過程中當(dāng)VGE小于閾值電壓時(shí)開始拖尾，此時(shí)電流為拖尾起始電流Itail0。寄生電容機(jī)理推導(dǎo)公式中包含柵-集極交疊面積、基區(qū)參雜濃度等復(fù)雜參數(shù)較難獲取。因此，所述模型通過器件數(shù)據(jù)手冊(cè)，曲線擬合的方法來提取寄生電容參數(shù)。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres是應(yīng)用中常用的參數(shù)。它們與極間電容的關(guān)系如下：Cies＝Cge+CgcCoes＝Cce+CgeCres＝Cgc(10)根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上輸入、輸出、反饋電容隨Vce變化曲線，在Matlab中采用多項(xiàng)式分段擬合，獲取近似表達(dá)式，再根據(jù)式(10)提取寄生電容參數(shù)?？梢杂行У哪M電流電壓尖峰、米勒平臺(tái)、二極管反向恢復(fù)電流等開關(guān)暫態(tài)特性。3.熱模型模型熱部分建模從內(nèi)部考慮來看，這是一種兼顧仿真時(shí)間同時(shí)，相對(duì)詳細(xì)而且準(zhǔn)確的方法。本發(fā)明所述模型分析受溫度影響變化的IGBT器件內(nèi)部關(guān)鍵電氣參數(shù)，包括過剩載流子壽命τ，柵極門檻電壓VT，跨導(dǎo)KP，相關(guān)表達(dá)式如下：τ(Tj)=τ(T0)(TjT0)1.5VT(Tj)=VT(T0)-Kth(Tj-T0)Kp(Tj)=Kp(T0)(T0Tj)0.8---(11)]]>其中τ(T0)，VT(T0)，KP(T0)分別為過剩載流子濃度，門檻電壓，跨導(dǎo)參數(shù)在常溫T0時(shí)的值；τ(Tj)，VT(Tj)，KP(Tj)為溫度為Tj時(shí)的值；Kth為門檻電壓的系數(shù)，可測(cè)量提取。所述方法考慮了半導(dǎo)體器件工作在低溫或高溫環(huán)境時(shí)，某些半導(dǎo)體參數(shù)的溫度敏感性，會(huì)導(dǎo)致器件某些特性發(fā)生變化，而使含有該器件的系統(tǒng)產(chǎn)生失真或熱不穩(wěn)定性。熱模型部分從內(nèi)部考慮，在仿真時(shí)間短、仿真小步小的限制下實(shí)行。計(jì)算不同溫度下，IGBT重要參數(shù)的變化，代回模型中進(jìn)行仿真。所述方法還考慮了器件和線路中產(chǎn)生的雜散參數(shù)，提高仿真結(jié)果真實(shí)性。搭建所述單個(gè)IGBT模塊，然后將其串聯(lián)，在器件級(jí)仿真平臺(tái)上建立由多個(gè)IGBT器件串、并聯(lián)組成的裝置，如三電平換流器、鏈?zhǔn)綋Q流器和模塊化多電平換流器MMC。模型參數(shù)可以全部從器件手冊(cè)提供的電參數(shù)提取。基于FPGA，實(shí)現(xiàn)IGBT器件納秒級(jí)實(shí)時(shí)化仿真，并能反映器件開關(guān)暫態(tài)過程對(duì)裝置運(yùn)行的影響。4.實(shí)時(shí)化首先采用MatlabSimulink軟件搭建IGBT器件離線模型，定步長(zhǎng)仿真模式，模塊可以采用Simulink自帶的模塊或者采用c語言S-Function自定義模型。將IGBT器件離線模型實(shí)時(shí)化可采用速率為2Gb/s的高性能XilinxVertex-7系列FPGA，仿真步長(zhǎng)在250ns以內(nèi)。首先需要將IGBT器件的電路 模型抽象為狀態(tài)方程模型，包括對(duì)模型的改造和生成狀態(tài)空間矩陣。然后用HDL語言實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)方程的建模。最后將IGBT器件原模型中非線性函數(shù)單元轉(zhuǎn)換為HDL語言，將狀態(tài)方程的非線性函數(shù)單元聯(lián)合求解。模型參數(shù)提取較為簡(jiǎn)單，主要基于IGBT生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其他一些難以獲得參數(shù)主要采用經(jīng)驗(yàn)公式方式得到，因此通用性強(qiáng)，適用于高壓大功率IGBT器件或者小功率IGBT器件。所述IGBT器件模型構(gòu)造簡(jiǎn)單，可建立集成閥級(jí)觸發(fā)策略的三電平換流器、鏈?zhǔn)綋Q流器和模塊化多電平換流器MMC的電磁暫態(tài)模型庫，反映IGBT器件開關(guān)暫態(tài)對(duì)裝置安全運(yùn)行的影響。對(duì)于電路設(shè)計(jì)者和器件生產(chǎn)廠商，IGBT模型可以預(yù)測(cè)IGBT的工作行為，了解其內(nèi)部工作機(jī)理和研究電力電子工作狀態(tài)。準(zhǔn)確反映尖峰電壓和尖峰電流，計(jì)算其承受應(yīng)力和開關(guān)損耗，減小器件的降額使用，降低設(shè)備對(duì)器件留有的裕量，從而縮減開發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間，降低成本，提高器件利用率。以裝置模塊化多電平變流器(MMC)為例，如圖2所示，所述模塊化多電平換流器MMC模型為三相結(jié)構(gòu)，每相通過電抗器串聯(lián)的上、下兩橋臂組成，每個(gè)橋臂均由MMC子模塊串聯(lián)組成；所述MMC子模塊2包括并聯(lián)的電容支路和H橋半橋；所述H橋半橋包括兩相兩橋臂，每個(gè)橋臂由所述IGBT器件1以及與其反并聯(lián)的二極管組成。所述IGBT器件模型所搭建MMC裝置仿真模型可以滿足納秒級(jí)實(shí)時(shí)仿真的計(jì)算速度要求，并且可以反映IGBT器件的開關(guān)暫態(tài)對(duì)MMC裝置的影響。采用三菱公司生產(chǎn)的CM450DXL-34SA型1.7kV/450A-IGBT功率模塊作為此模型測(cè)試模塊，并從廠家提供的Datasheet中提取IGBT模塊開關(guān)暫態(tài)模型的關(guān)鍵參數(shù)。IGBT器件離線模型采用MatlabSimulink軟件，定步長(zhǎng)仿 真模式，模塊可以采用Simulink自帶的模塊或者采用c語言S-Function自定義模型實(shí)現(xiàn)。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug通過輸出+15V與0V來分別控制不同IGBT模塊的工作狀態(tài)。IGBT熱特性部分模型計(jì)算相應(yīng)溫度下瞬時(shí)器件電氣參數(shù)，對(duì)現(xiàn)有電氣參數(shù)進(jìn)行修正，直至溫度改變，重新計(jì)算并修正改變溫度下的電氣參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)MMC納秒級(jí)開關(guān)暫態(tài)仿真，仿真步長(zhǎng)要求在50ns以內(nèi)，MMC裝置需要由所述IGBT器件搭建，并植入速率為2Gb/s的多個(gè)FPGA通訊模塊上。高性能FPGA根據(jù)接收到的開關(guān)元件指令信號(hào)相應(yīng)的計(jì)算出模塊電壓和橋臂電壓等。所述IGBT器件級(jí)仿真模塊的接口采用IP核?；贔PGA，由IGBT器件模型所搭建起的MMC裝置模型不僅可以實(shí)時(shí)仿真，計(jì)算速度達(dá)到納秒級(jí)，而且仿真結(jié)果可以準(zhǔn)確反映器件開關(guān)暫態(tài)過程中的尖峰電壓、電流，dv/dt、di/dt和功率損耗，以及IGBT器件的開關(guān)暫態(tài)對(duì)裝置安全運(yùn)行的影響。最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3