IGBT热模型的硬件在环实时仿真方法研究*

高　瑾，　霍锋伟，　殷桂来，　黄苏融

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海　200072)



IGBT热模型的硬件在环实时仿真方法研究*

高瑾，霍锋伟，殷桂来，黄苏融

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072)

摘要：在现有电压源型三相桥式逆变器的理想硬件在环(HIL)实时仿真模型的基础上，建立了IGBT损耗及温升的HIL实时仿真模型。模型是在基于FPGA的HIL平台上搭建。采用数据手册结合线性插值的方法建立了IGBT损耗模型。采用等效热网络电路方法，建立了IGBT温升模型。同时也可根据散热器结构参数计算热阻，增强了模型的适用性。为了扩展模型的实用性，采用LabVIEW进行了上位机通信设计，实现了模型参数实时输入功能，以及模型数据实时采集并传输到上位机界面显示功能。最后将MATLAB仿真模型与HIL实时仿真模型进行对比，以验证模型的数据精度，并与实物测试进行对比，以验证模型的可靠性。

关键词：IGBT 损耗及温升； 现场可编程门阵列； 硬件在环

0引言

随着大功率电力电子器件的发展，电力拖动系统中逆变器的IGBT在大电流、大电压及高开关频率工况下的应用问题更加突出。随着工作电流、电压的增大以及开关频率的提高，IGBT的损耗也不断增大，结温随之上升，不仅影响IGBT的开关特性、损耗，还可能严重影响IGBT正常工作，甚至永久性损坏。因此，在逆变器的高效节能和可靠性研究中，IGBT的损耗及温升问题成为了一个重要研究方向。

对于损耗的建模，较早的方法是采用物理器件模型进行电路仿真的方法[1]，但是IGBT器件开关过程非常短暂，约几百ns，并且暂态过程十分复杂，要求仿真步长设置很小，通常小于 10ns，导致对计算机硬件要求较高，且计算费时不容易收敛，并不实用。后来大多数采用拟合的方法得到开关瞬间电压、电流的时域表达式，在此基础上通过积分运算获得开关损耗[2-7]。基于曲线拟合的损耗建模计算方法相对准确，且简单实用，但模型复杂不易于数字建模。近年来，为了易于数字实现和建模，出现了基于数据手册法的损耗建模方法[8-13]。该方法根据IGBT器件数据手册上的损耗曲线，计算相应工况下的损耗。Infineon在文献[8]中较早提出基于IGBT器件数据手册的损耗计算方法，以及考虑门极驱动电阻、工作电压、电流及结温影响因素的系数矫正方法。文献[9]采用Infineon的数据手册法及矫正公式，计算了逆变器损耗并进行了功率优化。文献[10-11]中采用该数据手册法，分析等效逆变器的各种调制方法、换流模式与负载类型，建立开关动态特性的多维数据库，得到逆变器实际工况下工作点的开关能量损耗，进而计算出逆变器损耗。对于温升的建模，大多数采用RC等效热网络法建立温升热模型[2-3，11]。

目前对于逆变器中IGBT的损耗与温升的建模，基本上采用离线仿真平台仿真建模，而采用硬件在环(Hardware-in-the-loep, HIL)实时在线模型的较少。2011年，Venkata Dinavahi等人根据逆变器中IGBT的开关特性，将其暂态过程通过查表在HIL实时在线仿真中实现，并且实时地进行IGBT动态损耗的计算[13]。HIL实时仿真是基于模型的测试技术，通过搭建控制对象模型进行试验测试，对试验结果进行分析，取得和真实情况接近的效果，是一种比离散的纯数学仿真更逼近真实工况的仿真测试技术。它具有安全、经济、可控、便于观察、无破坏性及可多次重复等显著优点。它可以较好地兼顾真实性和易控制两方面的优势，因此越来越多地被应用于各种控制仿真领域[14]。

本文在现有电压源型三相桥式逆变器的理想HIL实时仿真模型的基础上，实现了IGBT损耗及温升的HIL实时仿真模型。采用数据手册结合线性插值的方法，建立了IGBT损耗模型。采用逆变器的等效稳态热网络电路，建立了IGBT温升模型。同时也可根据散热器结构参数计算热阻，增强了逆变器实时模型的广泛适用性。最后通过MATLAB仿真验证模型数据计算的精度，并与实物测试进行对比，验证该IGBT损耗及其温升计算的HIL实时仿真模型的可靠性。

1逆变器和IGBT损耗及温升的数学模型推导

1.1逆变器的数学模型

本文以电压源型三相桥式逆变器为原型建立逆变器的数学模型。为了更加准确地仿真逆变器的真实特性，该数学模型考虑了IGBT、二极管等半导体材料的管压降。

三相桥式逆变器三个桥臂对称，因此以其中一个桥臂为例，随着功率管的开关状态及电流的流向，进行详细分析。图1给出了三相桥式逆变器的结构图，据此对a相桥臂进行分析。该桥臂2个IGBT共有三种工作状态：

(1) A1导通，A4关断；

(2) A4导通，A1关断；

(3) A1和A4都关断。

图1　三相桥式逆变器结构图

以状态(1)为例： 如果电流ia>0(流入负载)，那么电流流经A1，端电压ua=udc-uce；如果电流ia<0，虽然A1导通，但是电流流经VD1，此时ua=udc+ud，其中udc为直流母线电压，ud为二极管压降，uce为IGBT管压降。如果电流ia=0，此刻uout取决于上一采样时刻电流的方向。

其他状态下输出端电压分析类似，这样便可以得出各个状态的输出电压结果。

三相相电压为

(1)

式中：Ua、Ub、Uc——负载电压相对于逆变器中点的电压。

1.2IGBT损耗数学模型

功率元器件不是理想的，都会产生损耗。电压源型逆变器损耗包含IGBT损耗、二极管损耗、电路部分损耗等。在电力拖动系统中，逆变器处于高开关频率和大电流的运行状况下，IGBT的损耗为主要损耗，因此本文主要研究IGBT损耗计算方法在HIL实时仿真模型的实现。根据开关过程特性IGBT损耗可以分为开关损耗和通态损耗两部分：

Ptot=Pcond+Pswitch

(2)

式中：Ptot——总损耗；

Pcond——通态损耗；

Pswitch——开关损耗。

IGBT的开关损耗是在开通和关断时产生的，因此它与开关频率成正比：

Pswitch=(Eon+Eoff)·f

(3)

式中：Eon——开通过程损耗；

Eoff——关断过程损耗；

f——开关频率。

通态损耗是导通时间内uce和ic乘积的积分：

(4)

式中：tn、tm——开通、关断时刻；

ic——集电极电流。

IGBT开关损耗的计算方法有线性法、多项式法、三角法、数据手册法等，本文基于Infineon提出的数据手册法[11]，并结合FPGA动态实时模型需要，提出了基于实时数据手册法的IGBT开关损耗计算方法。图2所示为三菱(SGP20N-60)开关管数据手册中IGBT的开关损耗曲线。

图2　三菱(SGP20N60)IGBT开关损耗

根据数据手册法，在图2中选取两个方便确定的点Eon(1)和Eon(2)，那么开通损耗：

Eon=Aon·IC+Bon

(5)

Bon=Eon(2)-Aon·IC(2)

(6)

同理可得关断损耗：

Eoff=Aoff·IC+Boff

(7)

Boff=Eoff(2)-Aoff·IC(2)

(8)

该算式对于在某个线性工况下进行损耗估算较为方便，但在逆变器实时在线仿真中需要得到全部工况下的数据，简单无序的线性插值不能保证全体数据的准确度，过于理想化，因此本文结合模型精度及编程要求，采用多区段化离散插值法，即根据具体开关管损耗数据的范围，根据电流分成m+1个区段，每段分别是(0，IC(1))，(IC(1)，IC(2))，…，(IC(m-2)，IC(m-1))，(IC(m-1)，IC(m))，(IC(m)，IC(max))。若IC(n-1)≤IC≤IC(n)(0

(9)

式中：Eon(n)、Eon(n-1)——分别是IC(n)、IC(n-1)时对应的损耗。

逆变器的总损耗为

Ptot=6[(Eon+Eoff)f+Pcond]

(10)

1.3IGBT温升数学模型

半导体芯片结点的热量传输至周围环境空气必然经过几种不同材料，如图3所示，而每种材料有各自热导率、截面积及长度，多层材料的热传输可以建立热电模拟的热路图[2]。

图3　硅芯片到环境的热通路图

图3是功率器件由硅芯片热传到空气的热通路，由结到环境的总热阻为

RjA=RjC+RCS+RSA

(11)

式中：RjC，RCS、RSA——分别表示芯片结和管壳、管壳和散热器、散热器和环境间的热阻。

IGBT由硅芯片的热传到环境的瞬态热抗可以等效为图4。

图4　瞬态热抗等效电路图

如果温升时间大于电路RC上升的时间常数t的3~4倍，阻抗值Zth接近于稳态热阻Rth。本文测试温度稳态特性，需要测试时间保证温升处于稳定，因此将热网络电路等效简化为稳态热阻网络电路，逆变器的热网络电路也就可以由图5给出。

图5　逆变器稳态等效热网络电路图

热网络电路是将损耗视为电流源，而通过热阻之后产生的电压也就是温升，最后与空气等效的电压源构成闭合的电路。采用这个温升计算原理，可以在FPGA中很好地实现，并能获得实时计算的效果。

计算公式如下：

Tj-TC=PIGBT·RjC

(12)

TC-TS=(PIGBT+PDiode)RCS

(13)

TS-TA=Ptot·RSA

(14)

式中：Tj——IGBT芯片节点温度；

TC——散热器壳温度；

RjC——IGBT芯片节点到散热器壳的热阻；

RCS——壳到散热器的热阻；

TA——空气温度；

RSA——散热器到空气的热阻。

本文不考虑二极管损耗，因此结温的温升计算可以简化为

Tj=PIGBT(RjC+RCS)+Ptot·RSA+TA

(15)

2HIL实时仿真模型的设计

笔者在前期研究中，已经建立了理想的IGBT的HIL模型，且考虑了IGBT、DIODE的管压降。但是考虑到实际工况中会产生损耗与温升，为了提高逆变器IGBT的HIL实时仿真模型的可信度，本文才将温升、损耗这两个因素考虑进来。

本文提出的逆变器HIL实时仿真模型，通过基于FPGA的HZL半实物仿真平台进行测试。硬件在环测试平台(HIL-Bench)实物如图6所示，包括三个部分：

图6　HIL平台结构图

(1) 逆变器模型——FPGA核心板及调理电路(逆变器动态实时模型)，硬件采用CycloneIII EP3C40Q240C8芯片，软件采用Altera的Quartus II 9.0编写模型的项目程序；

(2) 电机控制器——(DS1103)该部分基于dSPACE开发控制程序；

(3) 计算机软件——基于LABVIEW开发的上位机作为系统的通信工具及参数实时在线更新输入端。

2.1实时模型的顶层设计

逆变器的HIL实时仿真模型采用自底向上、模块化、层次化的设计方法。顶层主要包含三个主要部分： 锁相环、NIOS通信软核和逆变器部分。锁相环为模型提供稳定统一的系统时钟50MHz，通信软核主要采用SOPC设计，而逆变器模型作为一个黑盒子，可以层层展开内部结构。

2.2逆变器的损耗实时计算的FPGA设计

损耗计算的FPGA结构设计如图7所示。开通和关断损耗采用数据手册法与线性插值法相结合的方法处理，其输入端子为开通和关断数据手册损耗表及ic。通态损耗根据式(4)计算，输入端子为uce和ic。然后输入到右边损耗计算模块式(10)，并进行离散时序匹配设计，统一该损耗计算时序，保证模型的真实性、实时性。输出端子即为总损耗Ptot。

图7　FPGA中实现损耗计算模块的结构图

数据手册法是根据已测数据来查找目前条件下的数值的方法，数据的全面性将决定结果的精确度。在FPGA的离散系统模型中，芯片的资源是有限的，也限制了所取的手册数据量。线性插值是通过两个已知点，将中间线性处理的方法。这两者相结合，即保证了模型的精度，又有效地处理了中间离散的数据空白。

2.3IGBT结温计算模型

依据电路热阻结构，得出了温升计算式(15)，在FPGA中实现温升计算的模块结构图如图8所示。为了统一温升计算的时序，匹配损耗计算部分的时钟，增加了实时时序转换模块，并在布局中采用组合逻辑单元和时序逻辑单元相间安排，保证流程的时序统一性。温升由式(15)计算得出，热阻参数由上位机输入。

图8　FPGA中实现温升计算模块的结构图

3试验结果分析

3.1HIL实时模型的精度验证

逆变器HIL实时模型精度测试，是将HIL模型与MATLAB模型进行仿真对比测试。测试中模型的参数和给定电压、电流是完全相同的。

当系统处于稳定状态时，对两种模型的Eon、Eoff、Pswitch、Pcond等进行对比。分别在“Udc=300V，IC=75 A，fswitch=10 kHz”和“Udc=300 V，IC=275 A，fswitch=10 kHz”情况下进行对比。图9是MATLAB离线仿真结果，图10是逆变器动态实时模型HIL的运行结果。

图9　MATLAB离线仿真结果

图10　HIL实时仿真模型运行结果

图10中，开关损耗Eon、Eoff、Pswitch、Pcond都是Q14格式，经过换算与MATLAB的仿真结果是基本一致的，如表1所示，标准偏差为0.0225%。说明在逆变器参数相同的情况下，逆变器HIL实时仿真模型的运行结果和精度能够满足逆变器动态实时模型的需要。

表1　HIL实时模型和MATLAB仿真

综上所述，逆变器HIL实时仿真模型具有很高的精度和稳态性能，能够满足HIL仿真高精度的需要。

3.2HIL实时模型与实物测试结果对比分析

全实物试验在现有的电机平台上，测试空载到额定负载工况下IGBT的实际温升，用热成像仪获得IGBT模块的管壳温升热分布图，然后与HIL实时仿真结果进行对比。测试用电机为车用IPMSM，主要参数如表2所示，直流母线电压Udc=300V，PWM开关频率fswitch=10kHz，测试用IGBT主要参数如表3所示。

表2　车用IPMSM主要参数

表3　逆变器IGBT主要参数

损耗及温升测试实物系统如图11所示。通过钳形表测量出逆变器入柜功率P1和出柜功率P2，然后根据式Pinverter=P1-P2作差得到逆变器损耗。采用热像仪测量逆变器散热器壳温间接得到IGBT结温测量数据。

图11　损耗及温升测试实物系统图

图12为通过HIL平台测试出的IGBT结温推导出散热器壳温与试验热像仪测得数据对比。

图12　HIL平台和实物平台管壳温升对比图

表4为电机负载转矩为0～50N·m的温升测试结果。TL为负载转矩，TC1为实物平台下测出的逆变器管壳温度，TC2为HIL模型中测出的逆变器管壳温度。图13为实物平台和HIL平台的逆变器损耗对比图。实线是实物平台测试结果，虚线为HIL平台测试结果。

表4　电机负载转矩0～50 N·m下的温升测试

试验对比结果表明： 本文建立的IGBT损耗及温升的HIL实时仿真模型，能够很好地模拟逆变器工况。在逆变器理想模型的基础上，使得模型更加完善，同时上位机能够实时在线更新实际使用器件的数据参数，使得该动态实时模型具有更广泛的实用性。但是随着负载的增大，模型的精度变差，说明模型还不够完善，还要对模型深入研究，逐步完善模型的精度。

图13　实物测量和HIL测量温升曲线图

【参 考 文 献】

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Research on Hardware-in-the-Loop Real-time Simulation

Method of IGBT Thermal Model

GAOJin，HUOFengwei，YINGuilai，HUANGSurong

(School of Mechatronics Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200072， China)

Abstract：Based on the existing ideal Hardware-in-the-loop (HIL) real-time simulation model of voltage source type three-phase bridge type inverter， the HIL real-time simulation model of IGBT loss and temperature rise was established. The model was set up on the HIL platform based on field programmable gate array (FPGA). Using data sheet with linear interpolation method， IGBT loss model was established. By adopting the method of equivalent thermal network circuit， IGBT temperature model was established. Also according to the structural parameters of radiator， the thermal resistance was calculated to enhance the applicability of the model. In order to extend the practical value of model， the PC communication design using LabVIEW was carried on， realizing real-time input function of the model parameters and the function of model data real-time acquisition and transmission to the PC interface to display. At the end， the real-time HIL simulation model was compared with the MATLAB simulation model to validate the data accuracy of the model， and compared with actual test to verify the reliability of the model.

Key words：IGBT loss and temperature rise； field programmable gate array (FPGA)； hardware-in-the-loop (HIL)

收稿日期：2015-08-24

中图分类号：TM 301.2

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0022- 07

作者简介：高瑾(1972—)，男，博士，副教授，研究方向为半实物实时仿真，车用电机及其控制。通讯作者为高瑾。霍锋伟(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为逆变器及其半实物仿真，虚拟电机通信。

*基金项目：国家863高技术基金项目(2012AA110802)