IGBT暂态实时仿真模型

马海心 刘 健

（陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京100072）

0 引言

绝缘栅双极晶体管（IGBT）广泛应用于600V及以上，10A以下的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、轨道交通等领域。IGBT的工作状态包括稳态和暂态，暂态过程关系到开关频率、开关损耗、电磁特性等性能。现有仿真软件往往将IGBT开关过程视为理想过程，不能很好地体现IGBT的暂态过程[1-2]。有的软件模型考虑暂态过程，但实时性很差[3]。为了更好地体现IGBT的暂态过程，本文基于FPGA建立实时仿真模型。

FPGA是面向硬件电路编程的芯片，采用并行运算方式，时钟周期可以达到纳秒级。IGBT的暂态过程一般为数百纳秒，进行暂态模型仿真，要求仿真步长达到纳秒级，FPGA的特点符合要求[4]。本文采用Xilinx公司Spartan系列的XC3S500E芯片，该芯片时钟频率为50MHz，时钟周期20ns，系统门数为50万。该芯片丰富的硬件资源，并行化数据处理方式，灵活的接口配置，能够满足IGBT暂态实时仿真模型的设计要求。

1 IGBT暂态模型

在对IGBT暂态仿真模型的研究中，我们往往不关注其内部的物理特性，而只关注其外特性，因此构建IGBT功能模型[5-6]。通过对暂态过程进行分析，为下一步在FPGA中软件实现奠定了基础。

1.1 IGBT开通过程

IGBT的开通过程如图1所示。t0～t5为各个阶段划分节点，S为表示开关信号，Vge为栅极与射极电压，Vce0为集电极与发射极在IGBT截止稳态下电压，Vces为集电极与发射极在导通下电压，Ic为集电极电流，Ic0为集电极在导通稳态下电流，Vth为IGBT开启电压。

图1 IGBT开通过程

IGBT开通过程划分为4个阶段，对于各个阶段IGBT的状态分析如下：

阶段Ⅰ（t0～t1）：在驱动电源作用下，栅-射极电压Vge开始上升，在t1时刻到达开启电压Vth。这个时间段内，IGBT尚未导通，集电极电流Ic为零，集-射电压Vce为直流母线电压Vce0。

阶段Ⅱ（t1～t2）：当电压Vge继续上升，大于开启电压Vth后，IGBT开始导通，集电极电流Ic逐渐增加，集-射电压Vce随之下降，直到t2时刻，电压Vce变化率为零。

阶段Ⅲ（t2～t3）：由于米勒效应，Vce保持为平台电压Vcep不变，集电极电流Ic继续增大到最大值，变化率逐渐降低为零。

阶段Ⅳ（t3～t5）：集电极电流Ic从最大值开始下降，在t4时刻到达导通状态的负载电流Ic0；结电容Cgc开始放电，电压Vce逐渐下降至零。IGBT在t5时刻进入导通饱和状态。

1.2 IGBT关断过程

IGBT关断过程分为4个阶段，如图2所示。

图2 IGBT关断过程

各阶段IGBT状态分析如下：

阶段Ⅰ（t0～t1）：在t0时刻，IGBT尚处于完全导通状态。从t0到t1时刻，栅-射极电压Vge开始下降，电压Vce从Vces上升至0.1Vce0，而集电极电流Ic保持负载电流不变。

阶段Ⅱ（t1～t2）：此阶段延续阶段Ⅰ的变化趋势，Vce从0.1Vce0继续增加至Vce0，电压Vge进入米勒平台；集电极电流Ic依然为负载电流，但已经进入临界饱和阶段。

阶段Ⅲ（t2～t3）：t2时刻开始，集电极电流Ic迅速下降，电压Vce超越母线电压Vce0继续上升，形成一个电压尖峰，并逐渐回落至Vce0。而在t3时刻，电流Ic降为0.1Ic0。

阶段Ⅳ（t3～t4）：t3～t4时刻，电压Vce维持为直流母线电压Vce0，IGBT已经关断，只剩下拖尾电流Ic到t4时刻衰减至零，至此关断过程完全结束。

2 软件实现

为了便于在FPGA中实现IGBT开关的暂态模型，需要建立相应的软件模型。由于IGBT开关过程只有几百纳秒，为了满足仿真快速性的要求，采用了查表法在FPGA中建立模型，方法是在Matlab中对IGBT暂态过程进行仿真，提取暂态数据，保存在FPGA相应的缓存器中，仿真时根据时序信号再依次取出，并经过一系列加法器、乘法器，得到模型输出[7-8]。

软件模型的原理图如图3所示。图中clk为时序信号，周期为20ns，FPGA中加法器和乘法器运算只需要一到两个时钟周期，整个模型的实时性满足设计要求。S是开通暂态信号，S为“0”时，表示进入开通暂态；S为“1”时，表示进入关断暂态。

图3 软件模型原理图

3 实验验证

本设计IGBT采用英飞凌（Infineon）公司的FF1400R17IP4，模型数据采用工作电压750V，集电极导通稳态电流500A时开关暂态的数据。为了方便仿真模型测试，在FPGA中产生周期为10ms的开关信号，以驱动模型运行。为了方便对模型的观测，FPGA中的模型采用并行数据输出，再经过外部DA转换电路，输出模拟信号，可以用示波器进行观测。图4是利用示波器检测的模型输出波形，与图1、图2对比可以发现，模型输出电压、电流能够反映暂态过程的变化规律，并且实时性好。

图4 暂态模型测试结果

4 结语

为了建立IGBT暂态的实时仿真模型，反映开关暂态的详细信息，本文分析了IGBT的暂态过程，采用查表法在FPGA中建立软件模型，并通过实验验证模型的有效性。实验结果与设计相符合，在满足实时性的条件下，较准确地反映了开关过程中电压、电流尖峰，验证了采用FPGA建立IGBT实时仿真模型的可行性，为研究IGBT暂态特性提供了一种兼顾准确度和实时性的仿真方案。