寄生参数对IGBT 关断浪涌电压影响的仿真建模

李岩磊，刘 直，李 阳，代 鹏，陈明远，杜玉亮

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094）

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼具了MOSFET 和BJT 驱动功率小且饱和压降低的优势。它的应用领域涵盖了家电市场和各类工业输变电装置及牵引电动机控制［1］。然而，IGBT 通常具有较大的功率负荷和较高的运行频率，伴随着快速通断的工作状态，电压和电流会发生极大的变化，由于该器件的电压和电流都存在反向恢复特性，系统稳定性和可靠性会受到开关特性等相关动态参数影响［2］。其中，浪涌电压等过电压，以及相应产生的过电流，不仅使其开关损耗增大，管壳温度升高，更可能使其击穿烧坏，已成为IGBT 功率模块失效的重要原因之一［3］。因此，为提高IGBT 封装模块的建模仿真精度，浪涌电压的研究对于系统风险的评估、损耗和电磁兼容性的计算、电路设计的优化、系统安全性的提高具有参考意义。

针对IGBT 浪涌电压的研究，目前多聚焦于对其进行抑制的方法探索，包括采用有源箝位电路［4］等抑制吸收电路［5］、增加栅极电阻、降低主电路的分布电感［6］等。然而，对于浪涌电压本身的来源和特性分析，目前展开的研究较为有限，而通过定量化研究加深对其形成机理的认识，不仅有助于在IGBT 封装模块设计时对结构进行优化，更可以方便工程师在电路设计时有针对性地采取抑制措施，从而保障可靠性并实现电路优化。试验上常通过双脉冲测试等方法进行研究［7］，但是测试电路自身参数与实际难以匹配，且测试成本较高。理论上通常可通过基本的电路原理获得浪涌电压大致量级［8］或大致波形［4］，较为精确的方法是在电路中设置假定的分布电感，搭建更为精确的电路模型并计算获得［5］，但由于分布电感的来源和大小并不明确，以此方式获得的波形和电压幅值并不具备现实的参考意义。

文中将根据IGBT 封装、层叠母排和功率模块内部结构建立精确的电磁场模型，采用矩量法（The Method of Moments，MOM）原理求解回路中主要器件的寄生电感、寄生电阻和寄生电容，以此为基础建立逆变器单桥臂精确电路模型，测试得到IGBT 关断短路工况下的浪涌电压，并将结果与非精确电路所得浪涌电压对比验证该结果将有助于从机理上进一步了解IGBT 浪涌电压的来源，为电磁兼容等优化设计、损耗计算、风险评估提供有价值的参考。

1 IGBT 原理、特性和寄生参数

IGBT 的内部结构如图1 所示，在IGBT 工作时由栅极电压控制其关断和开通，整个开启过程与MOS 管的开启过程完全一致，极其迅速，当栅极电压为正向时会形成沟道，以给PNP 晶体管提供基极的电流，从而形成导通状态；与之相反的当栅极电压为反向时，不会形成沟道，基极流过相反的电流造成MOS 管断开，即IGBT 关断。

图1 IGBT 内部结构示意图[1]

IGBT 有输出特性和转移特性，都属于静态特性，而开通关断过程相关的动态特性更值得关注，在开通过程会产生过电压和过电流，断开过程电流会有拖尾效应。只要主回路电感不太大，不会感应出过高的浪涌电压，然而如负载发生短路故障，流过元件的可能会非常大，进而导致集电极产生过电压，使得IGBT 损坏。

在IGBT 高速的通断过程中，会产生很大的电流变化率和电压变化率，使得系统中包含很大的高频成分，且频率的高低与变化率的大小成正比。对于IGBT 封装模块、线缆、PCB 板等电元器件存在寄生参数，在低频环境中，这些电元器件的寄生参数产生的影响比较小，然而处于高频段时电元器件的对外实质性质不再以单一形式体现，因此导致寄生参数的影响非常严重［9］。

2 单桥臂精确建模理论

文中以某型牵引变流器的单桥臂电路为主要研究对象，该电路包括直流侧的层叠母排、功率模块以及某型IGBT 封装模块，该IGBT 封装模块的内部电路结构如图2 所示，此模块的组成部分主要包括：隔离基板、铝基板、3 个IGBT 芯片以及3 个续流二极管（FWDs）芯片。

图2 IGBT 封装模块内部电路示意图

2.1 单桥臂建模计算方法

文中的建模方法主要是采用矩量法提取准静态场下的寄生参数，同时结合IGBT 内核芯片的等效电路，提出一种针对IGBT 浪涌电压进行精确建模仿真的方法，并针对IGBT 关断短路工况下的浪涌电压进行对比测试。具体步骤为：

（1）逆变回路器件寄生参数提取

基于各个器件内部结构，根据各个器件内部结构的不同，利用有限元方法求解电磁准静态场，其中寄生电感L、寄生电阻R、寄生电容C的求解均采用矩量法［10］原理获得。

（2）IGBT 动态内核建模

测试和分析IGBT 的关断浪涌电压需要IGBT相关参数，这些参数来源于IGBT 的数据手册，据此可建立IGBT 动态内核等效电路模型及合适的动态测试电路。

（3）单桥臂精确电路模型建立

单桥臂精确模型的建立是通过应用提取寄生参数的有限元模型和IGBT 动态模型对理想元器件进行替换，引入器件寄生参数和动态特性对系统的影响更加有助于对IGBT 的浪涌电压进行精确的分析和测试。

2.2 器件寄生参数提取方法

通过电准静态场和磁准静态场的方式采用矩量法计算求解元器件的寄生参数，其中电准静态场能够求解计算得到电容C和电导参数G，而电感参数L和电阻参数R则是以磁准静态场进行求解计算。

当库伦电场远大于涡旋电场的条件下，可以忽略电准静态场中二次源∂B/∂t的作用影响，具体关于电准静态场的方程组可以由麦克斯韦方程组进行描述，方程为式（1）［11］：

同理，当传导电流远大于位移电流时，位移电流∂D/∂t在磁准静态场的影响作用可以忽略，描述磁准静态场的麦克斯韦方程组为式（2）［11］：

文中采用近年来实际工程问题中应用较为广泛的矩量法求解准静态场方程组，提取器件的寄生参数。

2.3 IGBT 动态特性仿真方法

通过IGBT 的动态模型［11］可实现其动态特性的仿真分析，在IGBT 的动态模型中能够考虑其输出特性、传输特性、开关延迟以及二极管偏压特性等，同时动态模型具有高精度的特点。IGBT 动态模型的准确建立对于浪涌电压系统级仿真分析具有一定的参考意义。某型号IGBT 搭建的等效电路模型如图3 所示。

图3 IGBT 动态等效电路模型

3 仿真分析模型

逆变器功率单元中的寄生参数类型主要包括IGBT 内部封装电路寄生参数、直流回路（层叠母排和功率模块）寄生参数。参数提取基于国产的Simdroid 多物理场仿真平台进行建模计算，主要步骤包括几何建模、材料设置、网格剖分、物理场设置求解和结果后处理等。

3.1 IGBT 封装模型

IGBT 封装模块中的3 个IGBT 芯片和3 个二极管芯片通过多层PCB 板连接，如图4 所示。建立IGBT 封装的有限元模型，提取内部电路的寄生参数。

图4 IGBT 封装板

该型IGBT 封装板包含铝基板、环氧树脂板、芯片和铜板层，芯片通过环氧树脂安装在铝基板上，铜板层用于连接芯片，同时环氧树脂也作为铜板之间的绝缘材料。在三维模型基础上创建封装板的有限元模型，并在准静态场中，通过矩量法提取不同频率下的寄生参数。扫描频率范围取500 Hz～30 MHz，扫描间隔则采用Log 以50 Hz 等间隔取。所提取寄生参数曲线如图5 所示。

图5 IGBT 封装板寄生参数

3.2 层叠母排模型

层叠母排属于逆变系统的直流回路环节，在直流回路环节，层叠母排的输入为整流后的直流电，经层叠母排输送给逆变器。层叠母排可分3层：一层为P 极，一层为N 极，中间层为很薄的绝缘材料，三维模型如图6 所示。

图6 层叠母排

按照处理IGBT 封装板的方式，建立层叠母排的有限元模型，并根据矩量法提取母排的寄生参数，所得寄生参数结果如图7 所示。

图7 层叠母排寄生参数

3.3 功率模块模型

功率模块包含多个IGBT 封装板，通过板层结构连接各个IGBT、直流回路以及三相交流支路，如图8 所示。

图8 功率模块

按照上述处理方式，建立功率模块的有限元模型，并根据矩量法提取寄生参数，所得寄生参数结果如图9 所示。

图9 功率模块寄生参数结果

3.4 单桥臂电路模型

文中基于Simulink 平台进行电路仿真，考虑逆变器功率单元主回路中的以上3 种寄生参数，搭建逆变器单桥臂精确电路，开展IGBT 关断短路工况下的浪涌电压测试研究。

在逆变器模块中，各个器件都存在着分布电感与电容等寄生参数。根据不同回路中的寄生参数搭建逆变器单桥臂单元的寄生参数分布等效电路，如图10 所示，Cs为支撑电容，Ls1与Ls2为直流主回路中的寄生电感，即层叠母排的寄生参数；L1、L2、L3、L4、C1和C2为单桥臂回路中的寄生参数，即功率模块的寄生参数；Ld1～Ld4和Cd1～Cd2为驱动 回路的寄生参数，即IGBT 封装的部分寄生参数。

图10 含寄生参数的单桥臂等效电路

根据上述IGBT 内核动态模型和图2 中的IGBT 封装内部电路搭建精确的IGBT 封装电路，如图11 所示。然后结合IGBT 封装精确电路模型和各个回路寄生参数提取结果，根据上述单桥臂等效电路，建立单桥臂精确电路模型，如图12 所示。

图11 IGBT 封装精确电路

图12 单桥臂精确电路

4 结果与讨论

4.1 浪涌电压仿真结果对比

以3 600 V 的直流母线电压，分别仿真计算理想器件构建的单桥臂电路模型、考虑动态内核的单桥臂电路模型和考虑动态内核与寄生参数的单桥臂精确电路模型在IGBT 关断短路工况时的浪涌电压，结果如图13～图15 所示。

图13 理想电路IGBT 浪涌电压

图14 考虑动态内核IGBT 浪涌电压

图15 考虑内核与寄生参数IGBT 浪涌电压

由图可知3 种不同精度模型的涌浪电压幅值与持续时间见表1。

表1 不同模型的浪涌电压对比

从上述结果可知，理想器件单桥臂电路中，IGBT 关断过程中不存在浪涌电压；考虑动态内核模型的单桥臂电路中，IGBT 关断过程存在着较小的浪涌电压，电压尖峰值达到3 859.2 V，振荡维持约0.4 μs；而考虑动态内核与寄生参数影响的单桥臂精确电路中，IGBT 关断过程在浪涌电压明显增大很多，尖峰电压值高达4 362.8 V，振荡时间将持续约1.2 μs。对比仅考虑IGBT 动态特性的情况，建立各个回路寄生参数的精确模型，IGBT 关断过程的尖峰值增大了约13.05%，振荡时间延长了约200%。

4.2 寄生参数对浪涌电压的影响

从上述仿真结果中可知，在IGBT 的关断过程中，功率模块的寄生参数、层叠母排寄生参数和IGBT 封装内部的寄生参数等对IGBT 浪涌电压值具有显著的影响，进而影响逆变器等功率设备的工作性能。

在IGBT 关断短路工况换流时，由于电流变化率很高且回路中存在寄生电感，回路中的电感会阻止负载电流的换向，从而在IGBT 中感应出过电压，此过电压即为IGBT 关断短路工况时产生的浪涌电压。另外寄生电容和寄生电感还可能进一步引起振荡，从而对电路元器件或通过电磁辐射对环境造成干扰。

综合图5、图7、图9 所得各器件寄生参数结果，可知本次研究对象的寄生电感范围约60～400 nH，寄生电阻范围约0～60 mΩ，寄生电容范围约0～450 pF。为研究不同寄生参数对浪涌电压值的影响情况，根据上述取值范围对各个寄生参数进行参数化分析，所得分析结果如图16～图18所示。

图16 寄生电感对浪涌电压的影响

图17 寄生电阻对浪涌电压的影响

图18 寄生电容对浪涌电压的影响

对比图16～图18 结果可知，在本次研究对象的寄生电感范围内关断峰值电压的变化值高达约679 V，而寄生电阻范围内关断峰值电压变化值为30 V 左右，寄生电容范围内关断峰值电压变化值仅为2.5 V。因此，在IGBT 关断过程中，3 种寄生参数中寄生电感对关断浪涌电压影响最大，浪涌电压随着寄生电感的增大而增大；而所考虑的3 种器件中层叠母排和功率模组对关断浪涌电压影响较大，并且层叠母排和功率模组的寄生参数对浪涌电压的影响基本一致，这是因为层叠母排和功率模组的寄生参数基本都属于直流回路参数。另外，IGBT 封装的寄生参数属于驱动回路参数，对关断浪涌电压产生的影响较小。

综上所述，直流回路器件的寄生电感较大时会造成IGBT 关断浪涌电压过大，因此可考虑从直流回路器件的寄生参数角度抑制浪涌电压。

5 结论

文中提出了一种针对IGBT 浪涌电压进行精确仿真的方法。首先使用矩量法对逆变电路中主要器件的寄生参数进行提取，结合IGBT 动态建模方法建立其动态内核模型，并基于此建立逆变器单桥臂电路的精确模型，针对IGBT 关断短路工况开展了单桥臂精确电路的浪涌电压仿真测试，并与非精确电路模型结果对比。结果显示，回路中器件的寄生参数对IGBT 浪涌电压有很大影响，验证了器件寄生参数是IGBT 产生浪涌电压的主要原因之一。相比采用等效电路法研究寄生参数对IGBT 浪涌电压的影响，本方法中的模型与结果更加贴近实际，更具有工程应用价值。

同时，采用参数化分析方法，探究了回路中各器件寄生参数对IGBT 关断浪涌电压的影响，结果表明直流回路中层叠母排和功率模组器件的寄生电感对浪涌电压影响最大。

文中所建模型和仿真结果有助于电路设计者、电气工程师等开展IGBT 和封装模块的可靠性验证和优化设计。而基于该方法可以针对浪涌电压抑制电路进行精确的仿真建模，为相关人员开展虚拟测试验证提供一种新的思路。