赵振波 周益铮

　　(英飞凌科技(中国)有限公司 上海 201203)

　　摘 要:IPOSIM是一个功能强大的IGBT仿真工具,能够计算IGBT和续流二极管的开关损耗和导通损耗,仿真其温度分布和结温纹波,又增添一些灵活的负荷定义、比较等功能,因而更具价值。文中简单介绍了计算IGBT损耗的基本理论和相关热分析模型以及应用该工具的相关原则。同时,结合UPS的基本特点和负载特性,重点分析如何有效地利用这个工具来选择IGBT,以及掌握在不同设计和应用条件下IGBT的运行状态。最后以5kVA UPS的实际应用作为案例。

　　0 概 述

　　目前,功率半导体器件IGBT已经成为中大功率UPS采用的主流产品。高效SPWM逆变器商业化运作已经成功。在各种UPS拓扑中,带输出变压器的双变换UPS处于前沿。拓扑结构如图1所示。

　　分立IGBT或IGBT模块通常作为UPS功率转换的器件,同时也要求成本低、结构紧凑。因此,对IGBT在特定条件下输出电流能力的比较就显得尤其重要。为了获取较高的可靠性和使用寿命,设计工程师必须根据功耗、温度分布尤其是结温纹波,计算和分析IGBT是否处于安全工作区间内。为了缩短开发周期,提高设计效率,英飞凌提供了功能强大而又灵活的IGBT仿真工具IPOSIM。其结构如图2所示。

　　与市场上其他的同类仿真工具相比,IPOSIM具备很多优势,如友好的用户界面、丰富的功能、独立的软件平台和易使用等优点。IPOSIM能够计算在感性负载、正弦输出电流条件下的传导和开关损耗。首先,应该考虑两个基本方面,一是必须获得相应的输入参数,如输出电流、直流电压、功率因数、过载系数、调制系数和输出频率等,根据这些电气特性参数初步选择IGBT。另一个方面是仔细评估IGBT的热特性,确保IGBT处于安全的工作范围内。在任何情况下,平均工作结温和结温纹波均不得超过125℃或150℃的最大允许温度工作结温。因此,需要对IGBT的应用条件进行优化设计。

　　1 基本原理

　　单相和三相逆变器是高频UPS最常用的拓扑。这两种结构都包含半桥结构,即两个带续流二极管的IGBT开关。这是IPOSIM的仿真和计算对象。采用SPWM调制方法进行控制的逆变器,均可使用IPOSIM来计算模块的损耗和温度。带变压器的全桥UPS结构是一种常见的方案。倍频调制算法也可应用于全桥。只要是以SPWM调制为基础,IPOSIM就可以适用,但要根据全桥输出电压(2倍输出峰值电压/直流电压))设定调制系数。IGBT和二极管的占空比取决于SPWM,可由锯齿波与参考波的交叉点处进行分析。IPOSIM假定负载均为感性负载,逆变器的输出电流为连续正弦波。对于UPS应用而言,无论负载是感性负载还是阻性负载,IPOSIM均适用。对于RCD负载,由于其电流波形不再是正弦波,IPOSIM的计算结果就不太精确。图3为流过一条桥臂上的IGBT和二极管的电流波形。输出电流I o的上半部分流过IGBT1和下半桥的二极管VD2,如图实线箭头所示;正弦波的下半部分则流过IGBT2和二极管VD1,如图3虚线箭头所示。

　　因此,在一个完整周期内平均损耗计算可以只考虑一个开关,包括一个IGBT和一个二极管。IPOSIM进行损耗分析也是基于一个开关进行的,计算和显示单个开关的损耗情况,包括IGBT和二极管两部分。整个计算过程不依赖模块的电路结构。详细计算损耗的方法将在后面提到。

　　2 IPOSIM应用原则

　　2.1 直流母线电压

　　在IPOSIM输入参数中,直流母线电压U dc的值是受限制的,不能超过所选的IGBT模块开关测试电压±20%的范围。该值大小对计算IGBT开关损耗有一定影响,当该值接近测试电压±20%的范围时,可以近似认为开关损耗与直流母线电压成线性关系。如果该值超过限制条件,仿真也能够进行,但是仿真结果可能会不准确。

　　2.2 IGBT输出电流

　　IGBT标称电流I nom的定义是在给定的壳温条件下无开关过程时允许通过的最大直流电流,并非IGBT流过电流的最大能力。IGBT最大输出电流的大小是受IGBT自身允许最大损耗的限制,另一个是受IGBT输出电流峰值的限制。考虑到IGBT的反向安全工作区(RBSOA),英飞凌IGBT模块有能力关断两倍的额定电流,但是在没有超过热限制的条件下会严格限制输出电流的有效值I rms到2×I nom/ 2范围内。

　　2.3 功率损耗

　　在最大允许运行结温T jop和给定的壳温T c条件下,结到壳的热阻将会限制IGBT和二极管所允许的功率损耗。不同壳温的设计,会得到不同的最大功率损耗,由于结温纹波,功率限制也会随着输出频率的变化而改变。输出频率越低,允许的功率损耗就越小。

图4为所选IGBT的平均损耗和输出电流之间的关系。虚线为在运行条件下IGBT和二极管所允许的最大损耗,从上到下,第一条实线为总的平均损耗与输出电流之间的关系,第二条为IGBT平均损耗与输出电流的关系,第三条为二极管平均损耗与输出电流的关系。图的左上部分为仿真的相关运行参数。

　　另外,在大功率变频器设计中不能忽略功率端子和芯片之间连线所引起的损耗,它会对IGBT壳温有一定的影响。尽管其部分损耗将能够通过主功率端子散发出去,但是在IPOSIM仿真中认为所有连线的损耗都是通过模块的底板散热。因此,IPOSIM是在较严酷的条件下进行IGBT损耗计算和热分析的。

　　2.4 结温

　　用平均功率损耗P jav和结到壳的稳态热阻R thjc就能计算出结到壳的△T jcav。如果确定好模块所用散热器的热阻和变频器允许的最大运行环境温度,用以下提到的热分析模型就能够根据功率损耗的大小计算IGBT和二极管的平均温度分布情况。然而,IGBT和二极管的功率损耗会随输出电流的大小而变化,其结温T jop也会发生相应的波动。所以,运行结温T jop由于纹波而会超过平均结温T jav。暂态热阻Z thjc用来计算和分析结温的纹波情况。图5为一个周期内IGBT结温的纹波,其中虚线所示为平均损耗,红线为结温的波动情况。

　　结温纹波也会随输出频率的不同而波动的幅度有所差异。

图6为输出频率在0Hz附近、5Hz、50Hz时结温纹波的波动情况。很显然,结温纹波在低频输出时波动幅度最大。另外,在变频器调速系统中调制系数M 会随输出频率的改变而变化,在低频时由于输出电压较低,二极管导通的占空比相对较大,二极管的承受热应力就要比IGBT大。

　　2.5 基准

　　该功能能够比较不同模块在相同运行条件下输出电流能力和开关频率之间的关系,进而反映不同芯片技术的IGBT模块之间的差异性,体现不同芯片的性能。在IPOSIM中,有三个可供选择,所有的比较都要基于相同的基准,如运行条件、散热器热阻等。如果不能提供实际所用散热器的热阻时系统会依据IGBT模块底板的大小用默认的初始化参数作为输入进行比较。实际上,不同封装的模块也能够进行比较,但要注意所选用的散热器热阻,否则比较结果可能会出有不同。图7为不同模块输出电流和开关频率之间的比较结果。

　　2.6 负载周期

　　IPOSIM不但能够计算单个运行点的开关损耗和温度,而且能够定义周期性的负荷,来分析不同运行条件下IGBT的损耗和温度状况。最多允许定义50个负荷点,而且可以把定义的负荷参数另存在文件中以方便下一次的仿真应用。

　　2.7 自定义IGBT仿真数据

　　IPOSIM的仿真结果都是基于每个IGBT模块规格表上的数据。但这些数据都是在一定测试条件下得到的,有时这些值可能和实际用到的数据值有所不同,如栅极驱动电阻R g。不同的R g所引起的开关损耗是不同的,但在IPOSIM中,R g值不作为输入条件用于仿真,而是根据实际的R g值,用IGBT规格书上的开关损耗和R g之间的关系读出相对应的E on、E off和E rec,然后建立一个新的IGBT仿真数据。这些数据在建立时应该依据一定的输入格式和要求,详细内容参考文献[1],否则仿真结果可能会不准确。

　　3 IGBT损耗的计算

　　在正弦输出电流条件下,计算均损耗的准确方法是把整个周期冲电流所产生的开通能量E on、关能量E cond求和。IGBT总损耗包括损耗。在一个输出周期T 0内,IGBT通常按下式来计算。

其中基于SPWM调制技术的占空比函数f(t)定义为f(t )=1/2+2M [(sin(ωt +φ )]。调制系数M 为输出峰值电压U op与直流电压U dc之比。M 的变化范围如下:当M ≤1时为线性调制模式;当1≤M ≤4/π时为过调制模式;当M =4/π时为方波调制方式。在M >1的调制过程中,参考波形等效为一个非正弦调制信号。因此,根据上面的条件推出IGBT和二极管的平均导通损耗计算公式如下:

　　对于开关损耗计算,准确的计算方法应该是把每个开关时刻的开通能量和关断能量的积分求平均。通常在给定负荷电流条件下线性近似的IGBT开关损耗计算方法如下

　　上述计算方法都是基于线性关系和一定的假设条件下得到的IGBT和二极管平均损耗,这是IPOSIM计算损耗的基本思路和仿真依据。

　　4  IGBT热分析模型

　　IGBT模块输出电流能力主要是受限于热特性。通常用结到壳、壳到散热器、散热器到环境之间的热阻来描述IGBT各个部分的热传导特性。图9为IGB T和二极管等效的热模型。这是计算IGBT温度分布的基础。

　　IGBT和二极管在一定运行条件下的结温按下式来计算

　　在给定的允许环境温度T a条件下,通过调节散热器热阻来使IGBT结温保持在安全运行范围内。图10为不同输出电流条件下IGBT各个点处的温度分布情况。

　　该图仅能够反映平均温度分布情况。实际上，IPOSIM还能用热阻抗来分析IGBT结温纹波，这是温度分析中很重要的部分。然而不同电压等级的IGBT模块有不同的封装形式和热阻抗特性。为了分析IGBT结温纹波，IPOSIM把不同的模块分成组，然后用标准的热阻抗值进行仿真分析。

　　5 实例

　　以带输出变压器的5kVA UPS为例进行说明,表1列出了UPS的基本参数,作为IPOSIM的输入。

　　使用IPOSIM对UPS进行仿真时,须考虑下述重要因素。仿真中最重要的规则是考虑输入最恶劣的条件。对于直流母线电压,应采用电池最低电压。同时,输出电流采用最大电流,也应考虑过载条件。一般而言,UPS过载能力应达到150%。因此,在仿真过程中,以62A作为RMS输入电流。将表1中的参数输入“自动选择”表中对应的空格,仿真的输出结果如图3所示。本例中,BSM50GB60DLC采用34mm封装。但由于RBSOA限制,即IGBT的关断电流不得超过IGBT的RBSOA范围,所选择模块的标称电流至少应等于100A。因此BSM100GB60DLC被定为正确选择。在“选定模块”表中,可以对有关参数进行调整,以计算所选中模块的平均功率损耗。

　　在“温度分布”表中,散热器的热阻抗已经过调整,以便将T jop限制在125℃之内。经过优化,每条桥臂的R thha值定为0.3kΩ/W。温度分布的结果如图10所示,I rms=62A时的结温纹波如图4所示。结温的峰值为82.5℃。所选中的模块在给定工作条件下的最大输出电流达到104.1A。T vjop可以满足结点安全工作温度的要求。

　　6 结束语

　　IPOSM是英飞凌开发的一种功能强大的IGBT仿真工具,可以进行温度分析和功率损耗计算,操作简便,界面灵活。完全

　　可以满足工程师们在IGBT模块评估、优化设计、缩短开发时间以及利用英飞凌IGBT产品提高设计效率等方面的需要,是工程师们的好助手。

　　参考文献

　　[1] IPOSM Technical Document.

　　[2] D.Srajber, W. Lukasch, The calculation of thepower issipation for the IGBT and inverse diode incircuits with the sinusoidal voltage, electronica’92Proceedings,pp.51～58.

　　[3] 赵振波,陈子颖.IPOSIM-IGBT仿真工具在变频器设计中的应用[J],变频器世界,2007～10.

　　作者简介

　　赵振波，男，工程师，主要从事电力电子技术的研究。

　　周益铮，男，工程师，主要从事功率半导体技术的研究。【红尘有你】