朱永超，趙剛

(上海交通大學(xué) 電氣工程系 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

基于MATLAB/Simulink的IGBT導(dǎo)通模型研究

朱永超，趙剛

(上海交通大學(xué) 電氣工程系 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

基于現(xiàn)有的MATLAB/Simulink模型，運(yùn)用S－函數(shù)(System Function)，對原IGBT/Diode模型進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了一種新的、更加精確的IGBT導(dǎo)通模型，有效地解決了原模型理想導(dǎo)通的弊端，使仿真結(jié)果更接近實(shí)際。提出了用導(dǎo)通電阻來模擬IGBT導(dǎo)通過程的新思路，觸發(fā)電壓的變化能夠?qū)崟r(shí)反映在導(dǎo)通電阻的變化率上，仿真結(jié)果證實(shí)了這一理論。利用MATLAB/Simulink的封裝方法對創(chuàng)建了自定義的IGBT模型，設(shè)計(jì)了簡單的外圍電路，對模型進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果與原模型進(jìn)行對比，效果明顯。最后，用自定義IGBT模型作為開關(guān)，建立了雷電流發(fā)生電路模型。搭建了硬件測試平臺，仿真結(jié)果與硬件測試結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果令人滿意。

MATLAB/Simulink;IGBT;S－函數(shù);導(dǎo)通電阻;自定義模型

0 引言

MATLAB中的Simulink及Simpower System(SPS)工具箱提供了電力系統(tǒng)和電力電子電路仿真的豐富的模塊資源，為電路仿真分析提供了便利［1］。然而，基于仿真效率的考慮，通常一些模塊都進(jìn)行了一定程度的簡化，例如IGBT/Diode模塊。此模塊屬于理想開關(guān)模型，它在電機(jī)控制、電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域的仿真建模中有廣泛應(yīng)用。但在其他用途中，如文獻(xiàn)［2］的IGBT串聯(lián)動態(tài)均壓仿真中，在需要考慮IGBT在不同觸發(fā)電壓下的導(dǎo)通特性時(shí)，就不能利用此理想模型，需要更加精細(xì)的仿真模型。這也是本文所研究問題的由來。

Simulink中的S－函數(shù)(System Function)是一種強(qiáng)大的對模塊庫進(jìn)行擴(kuò)展的新工具。利用S－函數(shù)，我們可以定制自己的Simulink 模塊［3］。

MATLAB/Simulink依托MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算能力使電路仿真變得簡單，這是它的一大優(yōu)勢。但Simulink另一突出優(yōu)勢在于它的可擴(kuò)展性。即可以在它的平臺上，針對特定問題、特定應(yīng)用環(huán)境，改造現(xiàn)有模塊，或重新封裝自定義模塊，創(chuàng)建新模塊，以更好地實(shí)現(xiàn)仿真功能。文獻(xiàn)［4］介紹了電力系統(tǒng)仿真工具箱的拓展，文獻(xiàn)［5］在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新的電力系統(tǒng)仿真工具箱(PSST)。而針對IGBT的仿真模型，文獻(xiàn)［6］利用PSIM軟件包設(shè)計(jì)了一種更加準(zhǔn)確的IGBT開關(guān)模型。因此，本文考慮在MATLAB/Simulink的環(huán)境下，利用S－函數(shù)，設(shè)計(jì)新的IGBT模型，使其在導(dǎo)通特性方面能更好地實(shí)現(xiàn)仿真功能。

1 建模思路

通過查閱MATLAB/help文檔中IGBT模型的內(nèi)部電路(見圖1)描述，發(fā)現(xiàn)原模型的開關(guān)控制由g是否為0決定，Ron和Lon均為導(dǎo)通后的穩(wěn)態(tài)值，Vf反映了正向?qū)ǖ腣ce門限電壓。結(jié)合實(shí)際的IGBT手冊，柵極(g)控制電壓也有一個(gè)門限值Vth(一般為5 V)。而導(dǎo)通的動態(tài)過程中，不同的觸發(fā)電壓對應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間也是不同，這也是工程中常采用強(qiáng)觸發(fā)的原因之一［7］。

綜合上述問題，結(jié)合文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］所給出的IGBT詳細(xì)的開關(guān)原理和導(dǎo)通過程分析，本文提出如下建模思路:

(1)柵極門限電壓可以用比較器簡單實(shí)現(xiàn)，且Vth可以預(yù)先設(shè)定(查對應(yīng)型號的IGBT手冊)。

圖1 IGBT模型內(nèi)部描述

(2)對于導(dǎo)通時(shí)間，通過導(dǎo)通電阻Ron(動態(tài)值)這一參數(shù)的變化曲線來反映。Ron初值Ron0設(shè)為MΩ級，終值設(shè)為前述的Ron穩(wěn)態(tài)值Ronend，中間變化規(guī)律采用指數(shù)衰減。這樣，由IGBT手冊得到對應(yīng)不同觸發(fā)電壓的導(dǎo)通時(shí)間ton，再利用如下公式得到時(shí)間常數(shù)τ:

以上運(yùn)算需要在仿真進(jìn)行前運(yùn)行。

(3)S－函數(shù)的作用體現(xiàn)在仿真過程中:a)比較柵極電壓Vg與Vth大小，決定輸出觸發(fā)信號g。b)對Vg進(jìn)行判斷，分段寫出導(dǎo)通電阻Ron的衰減曲線，如公式(3):

這樣，對應(yīng)此時(shí)的仿真時(shí)刻，即可得到此時(shí)的Ron值。注意:此式中的Ron和t0也要經(jīng)過處理:即當(dāng)觸發(fā)電壓改變時(shí)，分別對應(yīng)上一時(shí)刻的Ron值和上一時(shí)刻t值，這樣才能保證Ron連續(xù)變化，符合實(shí)際?？梢奡－函數(shù)功能之強(qiáng)大。

通過上述討論，利用M文件進(jìn)行預(yù)運(yùn)算、賦值、啟動仿真，理論上可以實(shí)現(xiàn)Ron的連續(xù)衰減控制。但SimpowerSystem是MATLAB/Simulink中的一個(gè)工具箱，它們之間的接口并非完美。M文件中的set_param()函數(shù)雖然可以進(jìn)行參數(shù)傳遞，從而改變SPS工具箱中模塊的參數(shù)，但這些改變只能在仿真未運(yùn)行時(shí)，即sim()函數(shù)未執(zhí)行時(shí)進(jìn)行。所以在目前的MATLAB/Simulink環(huán)境下，要想在仿真過程中改變導(dǎo)通電阻Ron需要尋求其他途徑。

本文一開始考慮的是通過多個(gè)斷路器串聯(lián)導(dǎo)通控制來分段模擬連續(xù)導(dǎo)通電阻的變化，也能實(shí)現(xiàn)基本功能，但斷路器的阻值分配和控制復(fù)雜，雖然S－函數(shù)能實(shí)現(xiàn)此功能，但計(jì)算量增大，仿真速度太慢。因此本文最終采用通過可控電壓源設(shè)計(jì)的自定義可變電阻模塊(R_var)。

2 改造后的IGBT模型

改造后IGBT的整體框圖如圖2所示。

可以看出，實(shí)際觸發(fā)電壓(信號輸入端口1:g)與觸發(fā)門限電壓(Vth，預(yù)先設(shè)定)同時(shí)進(jìn)入S－函數(shù)模塊，處理后，輸出二個(gè)信號:1)實(shí)際觸發(fā)信號g，此信號可以直接送入原IGBT模塊的觸發(fā)端口(g)。2)導(dǎo)通電阻Ron的波形，一路送入示波器，便于觀察、驗(yàn)證;另一路進(jìn)入R_var模塊，控制產(chǎn)生實(shí)際等效電阻波形。

考慮到有些應(yīng)用場合可能需要實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?，故反并?lián)一二極管。其他均為測量、監(jiān)控模塊，如輸出端口1∶m即為模仿原IGBT的測量端口，實(shí)現(xiàn)新IGBT模塊的電壓電流輸出。

圖2 改造后的IGBT模型

子系統(tǒng)R_var內(nèi)部設(shè)計(jì)如圖3，此設(shè)計(jì)明顯引入了代數(shù)環(huán)(Algebraic loop)，容易引起仿真不收斂，需要通過選擇合適的算法或者加入延時(shí)模塊(Td)來避免。

圖3 R_var模型

為方便自定義IGBT模塊的調(diào)用，Simulink提供了Mask(封裝)功能。后面的測試電路均調(diào)用自定義封裝后的IGBT。

3 模型仿真測試

3.1 基本功能測試

基本功能測試采用電路如圖4所示。

圖4 基本功能測試電路

電路參數(shù)如下:直流電源電壓220 V，保護(hù)電阻和負(fù)載電阻均為1 kΩ。IGBT參數(shù)參考國際整流器公司IR(International Rectifier)的GPS60B120KD型號的IGBT。觸發(fā)門限電壓采用典型值5 V，觸發(fā)電壓先設(shè)定為常數(shù)18 V。根據(jù)IGBT手冊中的導(dǎo)通延遲時(shí)間，分別設(shè)定對應(yīng)不同觸發(fā)電壓Vg的導(dǎo)通時(shí)間如表1所示。

表1 不同Vg對應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間

在Simulink仿真時(shí)加入適當(dāng)模塊，即可得到對應(yīng)不同觸發(fā)電壓的Ron下降曲線見圖5。Ron波形與理論相符。其中Fcn模塊中的表達(dá)式即公式(2)。

圖5 Ron_all波形

將測試電路中的IGBT分別換成原IGBT/Diode模塊和改造后的IGBT模塊，得到的輸出電壓如圖6所示。

圖6 輸出電壓波形比較

初步結(jié)果分析:輸出電壓上升時(shí)間與原IGBT差異明顯，更符合實(shí)際IGBT的導(dǎo)通特性。因此，此模型可以實(shí)現(xiàn)單電壓觸發(fā)時(shí)的基本功能。

3.2 強(qiáng)觸發(fā)測試

當(dāng)觸發(fā)電壓變化時(shí)，測試新模塊的導(dǎo)通電阻Ron的變化曲線，測試電路同上。為測試不同觸發(fā)電壓下的Ron波形，故設(shè)置觸發(fā)電壓如表2，使其包含三段不同范圍。

表2 不同時(shí)刻的V g

仿真得到多觸發(fā)電壓時(shí)Ron連續(xù)波形如圖7如示。

圖7 多電壓觸發(fā)測試

分析Ron對應(yīng)于Vg的波形，可以發(fā)現(xiàn)，此模型能夠反映出觸發(fā)電壓不同時(shí)，導(dǎo)通電阻的動態(tài)變化，與第二節(jié)的理論分析相符，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.3 IGBT 串聯(lián)測試

為解決IGBT串聯(lián)時(shí)的仿真問題，新IGBT模型設(shè)計(jì)之初即考慮了多IGBT串聯(lián)仿真的問題。自定義模型的參數(shù)設(shè)置窗口有一參數(shù)為“igbt no.”，此即為了給IGBT編號，此編號可以傳遞進(jìn)S－函數(shù)模塊。S－函數(shù)中的變量設(shè)為矩陣形式，其中不同行代表不同IGBT的參數(shù)隨時(shí)間的變化值。這樣，就實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)S－函數(shù)控制多IGBT模塊的目的。

兩個(gè)IGBT模塊串聯(lián)測試電路如圖8所示。

圖8 IGBT串聯(lián)測試

觸發(fā)電壓采用18 V常規(guī)觸發(fā)，其他參數(shù)未變。其中第二個(gè)IGBT的觸發(fā)電壓人為延后40 ns，用來模擬觸發(fā)延時(shí)。將模型中的IGBT分別換成改造后的IGBT和原IGBT進(jìn)行仿真，得到的第二個(gè)IGBT的輸出波形如圖9所示。

比較兩模型的電壓電流波形，可以明顯看出原IGBT的理想導(dǎo)通特性，從而也顯示了新模型的優(yōu)勢所在，這也是本設(shè)計(jì)的目的。但與此同時(shí)，此測試也暴露出了新模型的缺陷:由于導(dǎo)通電阻模塊采用受控電壓源模擬等效，輸入為支路電流，故當(dāng)支路電流為0時(shí)，受控電壓源輸出為0，相當(dāng)于R_var模塊不起作用，這是產(chǎn)生圖示電壓跳變的原因。

4 硬件平臺驗(yàn)證測試

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的“500 V組合波發(fā)生器”實(shí)驗(yàn)裝置，在MATLAB/Simulink平臺上搭建此裝置的如下模型，并進(jìn)行仿真測試。

圖9 串聯(lián)測試結(jié)果對比

圖10 硬件平臺建模

圖10中，IGBT模塊參數(shù)與前述一致(與實(shí)際IGBT型號一致)，觸發(fā)電壓設(shè)置為恒定18 V(與實(shí)際參數(shù):2節(jié)9 V電池一致)。其他電路參數(shù)可以參考雷電流發(fā)生器典型電路。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 仿真波形

實(shí)驗(yàn)室的“500 V組合波發(fā)生器”可以產(chǎn)生1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，此裝置內(nèi)部采用接觸器作為開關(guān)器件，有接線端子可以擴(kuò)展其他形式的開關(guān)，本實(shí)驗(yàn)使用IGBT作為開關(guān)器件。觸發(fā)采用兩節(jié)9 V電池串聯(lián)，即18 V電壓。

由于硬件條件限制，實(shí)驗(yàn)選用充電電壓為200 V，進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，示波器波形如圖12所示。

對比仿真結(jié)果和實(shí)測波形，選取一次試驗(yàn)波形，比較波頭波尾時(shí)間，具體參數(shù)如表3所示。

表3 仿真與實(shí)際測試參數(shù)對比

圖12 實(shí)測波形－波尾時(shí)間

對比可以看出，仿真結(jié)果基本與實(shí)測結(jié)果相吻合，基本驗(yàn)證了新IGBT模塊的可用性。

5 結(jié)束語

IGBT是目前發(fā)展最快的一種電力電子器件，在各領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［10］，這就要求我們不斷更新現(xiàn)有的仿真模型，得到更加精確、更加符合實(shí)際的新模型。本文著眼于MATLAB/Simulink模型中現(xiàn)有IGBT/Diode模塊的理想開關(guān)特性，提出了用導(dǎo)通電阻來動態(tài)模擬IGBT導(dǎo)通過程的建模思想。

借助MATLAB中S－函數(shù)的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了針對不同導(dǎo)通電壓的導(dǎo)通電阻的不同下降曲線。盡管基于現(xiàn)在的Simulink平臺，SimpowerSystem工具箱的接口不能很好的實(shí)現(xiàn)這一功能，只能通過受控源自定義可變電阻模塊或通過多個(gè)斷路器進(jìn)行分段模擬，但這為將來對IGBT導(dǎo)通特性的仿真研究提供了一種很好思路。

本文通過大量的仿真對比和實(shí)測對比以驗(yàn)證改造后IGBT模塊的可用性，結(jié)果都基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

［1］王群，耿云玲.Simulink在電路分析中應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2007，27(4):71－75.

［2］金其龍，孫鷂鴻，嚴(yán)萍，等.IGBT串聯(lián)技術(shù)動態(tài)均壓電路的研究［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(1):176－180.

［3］韓笑，戈祥麟，汪經(jīng)華.基于S函數(shù)的數(shù)字式變壓器差動保護(hù)仿真［J］.繼電器，2007，35(9):1－4.

［4］王印松，岑煒，李濤永，等.基于MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)仿真工具箱的拓展［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(20):84－88.

［5］姚偉，文勁宇，程時(shí)杰，等.基于MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)仿真工具箱的開發(fā)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(6):95－101.

［6］鄧夷，趙爭鳴，袁立強(qiáng)，等.適用于復(fù)雜電路分析的 IGBT模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(9):1－7.

［7］郭帆，王海洋，何小平，等.晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32(6):698－700.

［8］李雷，陳堅(jiān)，洪堯生，等.基于 IGBT的短路試驗(yàn)開關(guān)的仿真研究［J］.電氣技術(shù)，2012，1(6):8－12.

［9］毛鵬，謝少軍，許譯剛.IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(15):40－46.

［10］葉立劍，鄒勉，楊小慧，等.IGBT技術(shù)發(fā)展綜述［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33(11):937－940.

A Research on IGBT Turn-on Model Based on MATLAB/Simulink

ZHU Yong-chao，ZHAO Gang
(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of the Ministry of Education，Department of Electrical Engineering of Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

Based on the existing MATLAB/Simulink model，by using S-function(System Function)tomodify the existing IGBT/Diodemodel，

we have designed a novel，more accurate IGBT turn-onmodel，thus effectively overcoming the difficulty in achieving ideal conduction in the originalmodel and making simulation resultsmore close to actual situation.In this paper，we propose a new idea for simulating IGBT conduction process through the on-resistance，and variations of the trigger voltage can be reflected on a real-time basis in the variation rate of the on-resistance.The theory is confirmed by simulation results.In the MATLAB/Simulink encapsulatingmethod，we have created a self-defined IGBT model and designed a simple external circuit to verify the model.A comparison between the simulation result and the originalmodel shows that the effect is obvious.Finally，using the self-defined IGBTmodel as a switch，we have set up a model of lighting current generating circuit，and established a hardware test platform.A comparison between the simulation result and hardware test result shows that a satisfactory result is achieved.

MATLAB/Simulink;IGBT;S-function;on-resistance;self-defined model

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.018

TM85

A

1000－3886(2015)06－0056－04

定稿日期:2015－03－31

朱永超(1990－)，男，山東人，碩士生;研究方向?yàn)殡姎庠囼?yàn)與高電壓技術(shù)。