文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.001
中文引用格式： 李志剛，梅霜，王少杰，等. IGBT模塊開關(guān)損耗計算方法綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：10-14，18.
英文引用格式： Li Zhigang，Mei Shuang，Wang Shaojie，et al. The review of IGBT module switching loss calculation method[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：10-14，18.
0 引言
絕緣柵型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是由MOSFET和功率雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件。IGBT既具有MOSFET的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動特性，又有功率雙極型晶體管（BJT）的低飽和電壓特性及易實現(xiàn)較大電流的能力，在工業(yè)、能源、交通等場合越來越不可取代[1]。雖然在電力電子電路中，IGBT主要工作在開關(guān)狀態(tài)，但是IGBT仍然是功耗較大的電子器件，隨著開關(guān)頻率的增高，開關(guān)損耗會隨之增大而成為器件功耗的主要因素[2]。
IGBT模塊的性能與其開關(guān)特性密切相關(guān)，器件的開關(guān)特性直接決定其開關(guān)損耗，開關(guān)損耗制約著器件的工作效率的提高。而且功率器件IGBT的開關(guān)損耗可能會產(chǎn)生很高的熱量，引起過大的溫升，對器件的可靠性影響很大。因此，IGBT模塊的開關(guān)損耗問題一直是各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中如何準(zhǔn)確估算IGBT模塊的開關(guān)損耗是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。損耗計算對系統(tǒng)設(shè)計、壽命預(yù)測、選擇合適的散熱系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的可靠性很重要[3-6]。
目前，國內(nèi)外有關(guān)IGBT開關(guān)損耗研究的文獻(xiàn)很多，這些文獻(xiàn)歸納總結(jié)可以看出：IGBT模塊開關(guān)損耗的計算方法主要分為基于物理方法的損耗計算法和基于數(shù)學(xué)方法的損耗計算法兩種。本文對近年來各國學(xué)者們對IGBT模塊開關(guān)損耗的計算方法進(jìn)行討論，并給出其相應(yīng)的應(yīng)用范圍。
1 開關(guān)損耗定義
IGBT模塊的開關(guān)瞬態(tài)電壓、電流波形及開關(guān)損耗如圖1所示。
IGBT模塊的開關(guān)損耗由IGBT的開關(guān)特性決定，與其集-射極間電壓Vce及集電極電流Ic有關(guān)。損耗計算公式如下所示[7]：
其中：Pon為開通損耗，Poff為關(guān)斷損耗，ton為開通時間，toff為關(guān)斷時間，vce為集-射極間電壓，ic為集電極電流。
2 基于物理方法的開關(guān)損耗計算
基于物理方法的IGBT模塊開關(guān)損耗計算方法是采用仿真軟件，使用電源、電容、電阻、電感及晶閘管等一些相對簡單的元件搭建器件物理模型來仿真IGBT模塊的動態(tài)特性，得到IGBT模塊的開關(guān)瞬態(tài)電流、電壓的波形，從而計算開關(guān)損耗。Hefner、Kraus、Sheng等分別建立物理模型，采用該方法詳細(xì)描述了損耗計算過程，并不斷改進(jìn)。該方法的開關(guān)損耗計算流程圖如圖2所示。
這種計算方法的準(zhǔn)確程度主要取決于IGBT損耗模型的精確度和模型參數(shù)的準(zhǔn)確度，采用的物理模型越接近IGBT實際器件，模型參數(shù)越接近實際大小，仿真計算IGBT損耗值才能越接近實際損耗值。
目前，常用的用于IGBT模塊動態(tài)仿真的軟件主要有三種：Saber、Pspice、Matlab。
其中Saber提供的是包括Hefner模型在內(nèi)的5個通用模型和各種精確的具體型號器件的專用模型[8-9]，Pspice中提供詳細(xì)的器件仿真模型[10-11]，這些模型基于IGBT物理結(jié)構(gòu)包含了其重要的物理特征，可以描述IGBT在各種外部電路條件下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，具有很好的動態(tài)精確性。但是這些模型中多種參數(shù)值的確定對仿真影響較大，而且對一般的使用器件的用戶來說，模型參數(shù)值的確定是比較復(fù)雜和困難的。而Matlab僅提供理想的器件模型，模型通用性較好，但其可設(shè)置IGBT參數(shù)較少，在開關(guān)動態(tài)過程的精確描述方面存在很大欠缺[9，11]。
Hefner首先提出了“非準(zhǔn)靜態(tài)近似理論”[13-17]，傳統(tǒng)的“準(zhǔn)靜態(tài)近似理論”忽略了電子和空穴電流相互耦合會造成集電極電流的變化，以及由于基區(qū)的快速變化造成有效輸出電容的數(shù)量級的改變，而這些對IGBT模塊物理模型相當(dāng)重要，進(jìn)而會影響到IGBT模塊開關(guān)損耗值，因此準(zhǔn)靜態(tài)近似理論不再適用于對IGBT等具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的功率器件進(jìn)行瞬態(tài)分析。Hefner模型是第一個完整的一維分析、電荷控制模型，被廣泛應(yīng)用于電路仿真中，模型中包含了IGBT模塊的重要物理特征，可以描述IGBT模塊在各種外電路條件下的穩(wěn)態(tài)特性，采用非線性電容，也能很好地表現(xiàn)器件的動態(tài)特性，與實驗結(jié)果相比，具有較準(zhǔn)確的結(jié)果。一般可在Saber和Pspice軟件中實現(xiàn)。
Kraus采用一個多項式來逼近動態(tài)過剩載流子濃度分布[18-20]，更加貼近IGBT模塊內(nèi)部載流子的運(yùn)動，其影響IGBT模塊動態(tài)開關(guān)波形。Kraus模型是將IGBT模塊看成MOSFET和BJT組成，僅適用于NPT-IGBT的建模。MOSFET部分采用電阻和電容來表達(dá)其特征，BJT部分采用一個二極管和三個電流源來描述。Kraus模型簡單易懂，但內(nèi)部理論較為復(fù)雜，很難在一般仿真軟件中實現(xiàn)，主要用于Saber軟件的仿真中。
Sheng模型主要用于對D-IGBT的建模[22]，采用二維載流子分布的方法描述IGBT靜態(tài)特性，同時綜合考慮了其動態(tài)特性和溫度對器件的影響，其主要用于Pspice仿真軟件中。
基于物理方法的開關(guān)損耗計算優(yōu)點(diǎn)是物理模型精度高(精度取決于模型的不同簡化程度和參數(shù)的準(zhǔn)確度)，針對器件的具體結(jié)構(gòu)和工藝建立的仿真模型精確表示了器件的動態(tài)和靜態(tài)特性；缺點(diǎn)是物理模型的構(gòu)建非常困難，仿真速度慢，而且模型參數(shù)的獲得也比較困難。
3 基于數(shù)學(xué)方法的開關(guān)損耗計算
3．1 基于數(shù)據(jù)手冊的開關(guān)損耗計算
文獻(xiàn)[23]提出一種基于數(shù)據(jù)手冊估算IGBT模塊開關(guān)損耗的計算方法，該方法最早是典型IGBT模型生產(chǎn)商在其數(shù)據(jù)手冊中給出的[24]，數(shù)據(jù)手冊給出典型產(chǎn)品的開關(guān)能量曲線如圖3所示，從中可以看出關(guān)斷能量為集電極電流的線性函數(shù)，開通能量為集電極電流的二次函數(shù)。
利用線性插值的方法可以得到關(guān)斷損耗：
式中：user代表實際測量的數(shù)據(jù)，data代表數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)據(jù)。
利用二次插值的方法可以得到開通損耗：
展開可以求出Aon，Bon，Con。
基于數(shù)據(jù)手冊的開關(guān)損耗計算方法的優(yōu)點(diǎn)是直接使用數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)，簡單方便，缺點(diǎn)是計算不精確。供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)是基于實驗室條件下的數(shù)據(jù)，而在實際工況下運(yùn)行條件與供應(yīng)商的實驗工況不一致，其開關(guān)能量曲線必然有一定差異，計算損耗也會不同。
3．2 基于數(shù)學(xué)模型的開關(guān)損耗計算
基于數(shù)學(xué)模型的IGBT模塊開關(guān)損耗計算方法就是在對實際運(yùn)行條件下的大量的IGBT開關(guān)損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行一定歸納分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)損耗隨各參數(shù)的變化趨勢，建立損耗與各個影響因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而建立器件開關(guān)損耗數(shù)學(xué)模型。
用于開關(guān)損耗建模的數(shù)學(xué)模型主要有多項式模型[25，28]，冪函數(shù)模型，多項式和冪函數(shù)組合模型，多維數(shù)據(jù)庫模型[30-31]，人工智能模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，迷糊邏輯模型）等。
冪函數(shù)模型是將開關(guān)損耗表示成電流的冪函數(shù)的形式[26]，當(dāng)考慮到不同的母線電壓和結(jié)溫對開關(guān)損耗的影響時，其表達(dá)式為：
式中：PSW.X為開通損耗，Vdc為實際母線電壓，Vb為母線電壓基值，Tj為結(jié)溫，Tb為基值結(jié)溫，ASW.X、BSW.X、CSW.X、DSW.X為常數(shù)，可經(jīng)過大量的擬合得到。該公式同時適用于開通損耗和關(guān)斷損耗。
冪函數(shù)模型的系數(shù)較少，擬合速度快，但擬合效果較差，在此基礎(chǔ)上又提出了多項式與冪函數(shù)模型相結(jié)合的建模方法[27]，多項式可以提高擬合精度，但系數(shù)的無限增多又會大大降低擬合速度，因此在建立多項式與冪函數(shù)模型時要注意二者的平衡。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的函數(shù)逼近能力，通過對樣本的訓(xùn)練，能夠很好地反映對象輸入輸出之間的映射關(guān)系，同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又具有高度的魯棒性，因而能取得較好的建模效果[33]。建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用的是誤差反傳網(wǎng)絡(luò)(簡稱BP網(wǎng)絡(luò))，確定開關(guān)損耗模型采用的是三層網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，輸入層由幾個相關(guān)的變量組成如電壓、電流、結(jié)溫、門極電壓、門極電阻等，輸出層為開通損耗或者關(guān)斷損耗。最后選取的具體訓(xùn)練參數(shù)越多，訓(xùn)練次數(shù)越多，誤差越小。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對大量非結(jié)構(gòu)性、非精確性規(guī)律具有自適應(yīng)功能，具有的信息記憶、知識推理和優(yōu)化計算的特點(diǎn)，大大方便了開關(guān)損耗建模，其不管器件的物理機(jī)理，只對其外特性進(jìn)行輸入輸出的智能學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)對IGBT輸入輸出系統(tǒng)的模擬，得到實況輸出的準(zhǔn)確預(yù)測；但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程通常較慢，對突發(fā)事件的適應(yīng)性差。
采用數(shù)學(xué)模型的開關(guān)損耗計算方法的優(yōu)點(diǎn)是規(guī)避器件的物理機(jī)理，構(gòu)造模型盡可能的簡單和提高仿真速度；缺點(diǎn)是基于大量的實驗數(shù)據(jù)擬合，準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜。
3．3 基于波形擬合的開關(guān)損耗計算
基于波形擬合的IGBT開關(guān)損耗計算方法的基本思路是：分析IGBT模塊開通、關(guān)斷時物理機(jī)理及得到的電壓、電流的波形，總結(jié)其開關(guān)暫態(tài)過程的主要特征，建立相應(yīng)的簡單函數(shù)表達(dá)開通、關(guān)斷的電壓、電流波形，使該模型下獲得的開通、關(guān)斷時的電壓、電流的波形無限逼近開關(guān)暫態(tài)實測波形，然后通過電壓、電流方程的積分獲得開關(guān)損耗。
如圖5、圖6所示分別為IGBT開通、關(guān)斷時的電壓、電流波形，采用將開關(guān)過程分段，每段分別使用簡單函數(shù)逼近實測波形。該方法可以將IGBT并聯(lián)二極管的損耗考慮在內(nèi)，現(xiàn)代IGBT采用的快速恢復(fù)二極管的開通損耗與關(guān)斷損耗相比可以忽略不計（小于1%）[38]。
但是該方法的暫態(tài)波形表達(dá)式不夠完整，而且其中可能將某些變量認(rèn)為恒定，因此獲得的曲線只能逼近實際波形曲線，想要真正與試驗獲得的數(shù)據(jù)一致是不可能的。
文獻(xiàn)[42-43]完全忽略了開關(guān)暫態(tài)電壓和電流的拖尾過程；文獻(xiàn)[44]考慮了拖尾過程，但在擬合過程中，將電流上升時問、續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、反向恢復(fù)時間等重要參數(shù)都視為恒定值，電壓源換流器實際工作過程中，工況是經(jīng)常變化的，IGBT的開關(guān)電流也是變化的，且上述參數(shù)都是隨開關(guān)電流的變化而變化的；文獻(xiàn)[45]未考慮線路雜散參數(shù)影響，同時提出了大量需要由實測波形數(shù)計算得出的待定系數(shù)，將開關(guān)電流與擬合參數(shù)的關(guān)系復(fù)雜化，降低了在高壓大功率場合下的實用性；文獻(xiàn)[46]提出的模型擬合電壓波形與實驗電壓波形基本一致，尤其是關(guān)斷電壓上升階段和電壓過沖階段的準(zhǔn)確擬合，電壓過沖衰減過程的衰減趨勢也能較好地擬合，但模型未計入電路雜散電容及對地電容，擬合波形沒有實驗波形中的振蕩衰減現(xiàn)象。
采用曲線擬合的IGBT開關(guān)損耗計算方法優(yōu)點(diǎn)是相對準(zhǔn)確，且簡單實用，但是現(xiàn)有開關(guān)損耗模型研究存在明顯的近似處理，對開關(guān)暫態(tài)波形的描述不夠完整。雖然這些擬合波形無法與實驗波形達(dá)到絕對一致，但擬合方法也在不斷改進(jìn)，近似度不斷提高，因此基于曲線擬合的IGBT開關(guān)損耗計算是絕對可行的。
4 結(jié)語與展望
通過對IGBT模塊開關(guān)損耗的各種計算方法進(jìn)行分類和分析，可大致了解其各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示?；谖锢矸椒ㄓ嬎汩_關(guān)損耗計算方法需要建立IGBT的等效物理模型，參數(shù)提取也比較復(fù)雜，但目前許多仿真軟件已經(jīng)建立了一些器件的物理模型，大大方便了人們的應(yīng)用?；跀?shù)學(xué)方法的開關(guān)損耗計算方法大都是以數(shù)據(jù)手冊和實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，規(guī)避器件的復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)分析，由于廠商提供器件資料的測試環(huán)境的確定性導(dǎo)致基于數(shù)據(jù)手冊的開關(guān)損耗計算方法無法獲得工況下器件的精確開關(guān)損耗值，但計算方法簡單易懂，具有通用性；基于數(shù)學(xué)模型和波形擬合的開關(guān)損耗計算方法都以實測的開關(guān)波形和開關(guān)損耗值為基礎(chǔ)，準(zhǔn)備工作復(fù)雜，但模型建立后獲取開關(guān)損耗值比較簡單，計算速度快，而且精度較高。
現(xiàn)有的IGBT模塊開關(guān)損耗計算方法在其精確度和通用性上存在一定的局限性，這是由于器件的多樣性、工況的復(fù)雜性等造成的。IGBT模塊是開關(guān)器件，其開關(guān)頻率影響IGBT模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷過程，因此接下來可以在開關(guān)損耗計算方法中引入開關(guān)頻率對其影響，使損耗模型更加精確。其次在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損耗模型成功的基礎(chǔ)上，可以采用其他人工智能模型對IGBT模塊開關(guān)損耗建模，獲得更精確的開關(guān)損耗值。
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