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        基于Simplorer /Simulink聯(lián)合仿真計(jì)算IGBT損耗的方法

        2021-01-25 03:23:14張幸福肖明康石其輝
        微特電機(jī) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:模型

        朱 元,張幸福,肖明康,石其輝,陸 科

        (1.同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院,上海 201800;2. 同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院,上海 201800)

        0 引 言

        電動(dòng)汽車(chē)憑借其優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保性能受到越來(lái)越多人的青睞,IGBT作為電動(dòng)汽車(chē)不可缺少的重要部件,其可靠性也成為人們研究的重點(diǎn)。由于IGBT經(jīng)常工作在高溫、高功率的環(huán)境下,工作時(shí)其內(nèi)部結(jié)溫會(huì)不斷升高,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力,最終將在封裝的薄弱環(huán)節(jié)處引起失效[1]。研究表明,約55%的功率模塊失效是由于IGBT結(jié)溫引起的[2]。而IGBT的損耗計(jì)算是估計(jì)結(jié)溫的前提,因此,有必要準(zhǔn)確計(jì)算IGBT的損耗,為選擇合適的功率模塊,設(shè)計(jì)合理的散熱裝置,以及對(duì)IGBT可靠性分析提供數(shù)據(jù)支持。

        目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)IGBT損耗研究主要通過(guò)搭建IGBT物理模型或者通過(guò)公式推導(dǎo)進(jìn)行損耗計(jì)算[3-6]。物理模型方法主要采用Pspice[7]、Saber[8]等仿真軟件,使用電源、電容等一些相對(duì)簡(jiǎn)單的元件,搭建器件物理模型來(lái)仿真IGBT動(dòng)態(tài)特性,得到IGBT模塊瞬間電流、電壓波形進(jìn)而計(jì)算損耗。然而,這些仿真軟件難以搭建電路控制模塊,且沒(méi)有考慮負(fù)載電機(jī)模型對(duì)損耗的影響。采用Simulink搭建損耗公式可以比較容易地實(shí)現(xiàn)損耗計(jì)算,且Simulink模型能夠?qū)崿F(xiàn)電路控制模型的搭建,但是模型沒(méi)有考慮IGBT開(kāi)關(guān)延遲等情況,這就導(dǎo)致了仿真結(jié)果不準(zhǔn)確,不能完全反映電機(jī)運(yùn)行的真實(shí)情況,得到的逆變器IGBT損耗也與實(shí)際結(jié)果相差較大[9-10]。也有通過(guò)聯(lián)合仿真的方式,對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[11]基于Simplorer/Maxwell的聯(lián)合仿真對(duì)高速感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制,計(jì)算和分析了電機(jī)電磁損耗,然而沒(méi)有考慮逆變器IGBT模塊的損耗;文獻(xiàn)[12]通過(guò)Simplorer/MATLAB聯(lián)合仿真,實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的仿真建模,研究重點(diǎn)主要在與逆變器并網(wǎng)電流的控制策略上,同樣沒(méi)有考慮逆變器IGBT模塊的損耗問(wèn)題。

        本文提出了基于Simplorer/Simulink的聯(lián)合仿真計(jì)算IGBT損耗的方法。首先分析推導(dǎo)了IGBT損耗計(jì)算公式,然后在Simulink中搭建電機(jī)控制算法與損耗模型,在Simplorer中搭建IGBT模型與電機(jī)有限元模型,通過(guò)聯(lián)合仿真的方式發(fā)揮各自軟件的優(yōu)點(diǎn),最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)相較于公式計(jì)算結(jié)果,聯(lián)合仿真結(jié)果獲取的損耗更加接近逆變器IGBT的實(shí)際工作情況。

        1 IGBT損耗計(jì)算

        IGBT模塊的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖1所示。從圖1中可以看出,IGBT的損耗包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗兩部分,本文采用近似計(jì)算的方法,針對(duì)一個(gè)電流周期,分別對(duì)導(dǎo)通與開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行計(jì)算[13]。

        圖1 IGBT模塊的開(kāi)關(guān)模型

        1.1 IGBT導(dǎo)通損耗

        IGBT的導(dǎo)通損耗是指IGBT完全導(dǎo)通時(shí)所產(chǎn)生的損耗,主要由IGBT的導(dǎo)通電流和導(dǎo)通壓降決定。假設(shè)電流周期為T(mén)c,開(kāi)關(guān)周期為T(mén)sw,一個(gè)電流周期內(nèi)有N個(gè)開(kāi)關(guān)周期,則導(dǎo)通損耗可計(jì)算如下:

        (1)

        式中:Vceo為IGBT導(dǎo)通時(shí)的壓降;Rce為IGBT的導(dǎo)通電阻。

        考慮到電流周期Tc遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期Tsw,故可得:

        (2)

        式中:D(t)為IGBT導(dǎo)通的占空比。

        基于文獻(xiàn)[14]對(duì)損耗的研究,可以對(duì)式(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,得到IGBT導(dǎo)通損耗公式:

        (3)

        式中:I為相電流最大值;m為調(diào)制比;φ為功率因數(shù)角。

        類(lèi)似地,可計(jì)算續(xù)流二極管FWD導(dǎo)通損耗公式,不同的是FWD導(dǎo)通的占空比為1-D(t)。

        (4)

        式中:Rf為FWD導(dǎo)通電阻;Vf為FWD的導(dǎo)通壓降。

        1.2 IGBT開(kāi)關(guān)損耗

        IGBT的開(kāi)關(guān)損耗是指在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的損耗,包括開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗兩部分[15]。其表達(dá)式如下:

        (5)

        式中:fsw為逆變器開(kāi)關(guān)頻率。

        開(kāi)關(guān)損耗與輸出電流大致成正比,可以根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的額定電流I下的每次開(kāi)通和關(guān)斷能量損耗,對(duì)瞬時(shí)電流i下的單個(gè)開(kāi)關(guān)能量作線(xiàn)性近似[16]。在實(shí)際應(yīng)用中,直流母線(xiàn)電壓也是影響器件開(kāi)關(guān)損耗的主要因素,因此也要在額定電壓的一定范圍內(nèi)對(duì)損耗作線(xiàn)性調(diào)整??紤]到這兩個(gè)因素,可以得到改進(jìn)后的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算公式:

        (6)

        式中:fsw為逆變器開(kāi)關(guān)頻率;Eswref為數(shù)據(jù)手冊(cè)中IGBT的開(kāi)關(guān)損耗;Vdc,Imax分別是仿真過(guò)程中的母線(xiàn)電壓和相電流最大值;Vdcref,Imaxref分別為數(shù)據(jù)手冊(cè)中母線(xiàn)電壓與相電流最大值的參考值。FWD開(kāi)關(guān)損耗也可以根據(jù)同樣的原理得出:

        (7)

        1.3 IGBT總損耗

        以上分析的是單個(gè)IGBT及其反并聯(lián)續(xù)流二極管的功率損耗,由于整個(gè)逆變器是由6個(gè)IGBT與FWD組成,其總損耗可以近似認(rèn)為是單個(gè)IGBT損耗及FWD的6倍,因此總損耗p如下:

        ptotal=6(pIGBT_cond+pIGBT_sw+pFWD_cond+pFWD_sw)

        (8)

        2 聯(lián)合仿真建模

        為模擬逆變器帶有電機(jī)負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況,彌補(bǔ)Simulink仿真時(shí)忽略電機(jī)自身的非線(xiàn)性特點(diǎn)和IGBT非理想開(kāi)關(guān)的特性,以及ANSYS Maxwell 軟件進(jìn)行電機(jī)的電磁仿真過(guò)程中無(wú)法加入電機(jī)控制算法的問(wèn)題,本文提出在Simulink中搭建電機(jī)控制算法與損耗模型,在Simplorer中搭建IGBT模型與電機(jī)有限元模型,通過(guò)聯(lián)合仿真的方式對(duì)IGBT損耗進(jìn)行研究。該方法的仿真效果更加接近逆變器實(shí)際工作情況,獲取IGBT損耗也更加準(zhǔn)確。

        2.1 Simplorer中模型搭建

        Simplorer主要進(jìn)行電機(jī)場(chǎng)路耦合,即通過(guò)在Simplorer中建立逆變器模型,然后在Ansoft Maxwell 中設(shè)置Simplorer接口功能,將電機(jī)的電磁模型導(dǎo)入到Simplorer中,最后將仿真電流等參數(shù)反饋至Simulink模型。

        Simplorer軟件中半導(dǎo)體器件選用高級(jí)動(dòng)態(tài)模型來(lái)建模。首先需要根據(jù) IGBT手冊(cè)查找相應(yīng)的參數(shù),通過(guò)IGBT建模工具提取參數(shù),如轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn),然后進(jìn)行隔熱設(shè)置,保存后生成測(cè)試電路,執(zhí)行測(cè)試電路可得到IGBT的開(kāi)通關(guān)斷曲線(xiàn)。圖2為搭建完成的IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程示意圖。測(cè)試波形中存在導(dǎo)通和關(guān)斷延遲,證明設(shè)計(jì)的IGBT符合使用要求,能夠反映IGBT實(shí)際的工作狀況。

        圖2 Simplorer中IGBT模型開(kāi)關(guān)波形圖

        完成逆變器中IGBT模塊建模后,便可以導(dǎo)入電機(jī)的有限元模型。電機(jī)的端部電感和電阻是不能忽略的,因此要在逆變器與電機(jī)之間添加端部電感和電阻。在電機(jī)輸出一側(cè),還需要添加測(cè)量模塊來(lái)獲取電機(jī)參數(shù),包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度以及轉(zhuǎn)矩等變量,電機(jī)控制算法根據(jù)這些參數(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。設(shè)置完成后,可以通過(guò)Simplorer直接獲取IGBT兩端電壓與電流的變化,進(jìn)而得到損耗。

        2.2 Simulink中模型搭建

        將電機(jī)控制模型、逆變器IGBT模型、電機(jī)電磁瞬態(tài)場(chǎng)模型通過(guò)AnsoftSimplorer軟件整合以后,便可以通過(guò)Simulink建立三相電機(jī)控制的聯(lián)合仿真模型。Simulink中的模型主要包括電機(jī)控制模塊和損耗計(jì)算模塊兩部分組成。

        電機(jī)控制模塊主要通過(guò)FOC控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。FOC算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程為采集到三相電流,經(jīng)過(guò)Clarke變換后得到兩軸正交電流量Iα,Iβ,然后通過(guò)Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流Id,Iq,在實(shí)際控制中,一般采用Id=0的控制策略。將Iq與Id反饋與命令的差值分別送進(jìn)PI調(diào)節(jié)器,得到對(duì)應(yīng)的輸出Vq和Vd;通過(guò)傳感器得到電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度,進(jìn)行Anti-Park變換,得到Vα,Vβ,然后根據(jù)SVPWM算法獲取逆變器開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài),并控制逆變器工作,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[17-18]。

        損耗計(jì)算模塊在前面已經(jīng)詳細(xì)推導(dǎo)過(guò),將電機(jī)控制算法中獲取的Id與Iq、Vd與Vq、轉(zhuǎn)角θ、逆變器母線(xiàn)電壓VL等變量輸入損耗計(jì)算模塊,即可完成Simulink中公式計(jì)算的模型搭建,其模塊框圖如圖3所示。

        圖3 Simulink中電機(jī)控制算法與損耗計(jì)算模塊

        2.3 聯(lián)合仿真模型

        在完成Simplorer與Simulink中的模型搭建以后便可以對(duì)兩個(gè)軟件進(jìn)行接口的配置,具體過(guò)程如下[19]:

        1) 在Simplorer中添加Simulink連接部件,并對(duì)Simulink部件的輸入輸出端口根據(jù)需要進(jìn)行添加,按照端口與Simplorer中端口進(jìn)行連接,完成Simplorer部分的配置。

        2) 對(duì)Simulink進(jìn)行配置,添加S-Function模塊,輸入的函數(shù)對(duì)應(yīng)Simplorer中的文件名,然后將對(duì)應(yīng)端口連接,連接過(guò)程中要保證各個(gè)端口數(shù)據(jù)類(lèi)型一致。之后設(shè)置求解器參數(shù),參數(shù)設(shè)置要與Simplorer中的設(shè)置保持一致。

        3) 初始化電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型、電機(jī)電磁瞬態(tài)場(chǎng)仿真模型和逆變器仿真模型的仿真時(shí)間和步長(zhǎng);判斷模型之間是否建立連接;若能夠建立通訊,則可以進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。

        Simplorer聯(lián)合仿真平臺(tái)得到MATLAB Simulink輸入的控制IGBT模塊開(kāi)關(guān)的信號(hào),并經(jīng)過(guò)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的三相電流輸入到Maxwell電機(jī)模型中,軟件記錄電機(jī)模型輸出的三相電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等信息,最后得到基于聯(lián)合仿真獲取的IGBT損耗和基于公式推導(dǎo)獲取的IGBT損耗。圖4為聯(lián)合仿真的總體結(jié)構(gòu)框圖。

        圖4 聯(lián)合仿真總體結(jié)構(gòu)圖

        3 仿真結(jié)果

        仿真實(shí)驗(yàn)中,IGBT模型型號(hào)為英飛凌FS820模塊,電機(jī)模型參數(shù)如表1所示。

        表1 聯(lián)合仿真負(fù)載電機(jī)參數(shù)表

        在配置好仿真步長(zhǎng)后,點(diǎn)擊Simulink中的開(kāi)始按鈕,即可進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真給定的母線(xiàn)電壓為350V,冷卻液溫度為25 ℃,流量為10L/min,開(kāi)關(guān)頻率10kHz,控制電流Id=0,Iq=300A,轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 000r/min。

        對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)三相電流呈正弦形,且三相電流波形峰值與給定的Iq相等,如圖5所示,說(shuō)明電機(jī)能夠正常運(yùn)行。IGBT導(dǎo)通電流也呈正弦形,且當(dāng)IGBT兩端電壓為母線(xiàn)電壓時(shí),通過(guò)IGBT的電流為0,此時(shí)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài);而當(dāng)兩端電壓近似為0時(shí),導(dǎo)通電流達(dá)到最大值,IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài),如圖6所示,說(shuō)明IGBT模塊開(kāi)關(guān)正常,模型搭建準(zhǔn)確。

        圖5 聯(lián)合仿真三相電流波形圖

        圖6 聯(lián)合仿真IGBT的電流與電壓波形圖

        圖7為采用功率分析儀進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)、聯(lián)合仿真計(jì)算與公式計(jì)算得到的逆變器損耗波形對(duì)比圖??梢园l(fā)現(xiàn),在相同條件下,聯(lián)合仿真結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        圖7 聯(lián)合仿真IGBT損耗對(duì)比

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)IGBT損耗進(jìn)行分析,并通過(guò)Simplorer與Simulink聯(lián)合仿真的方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶有電機(jī)負(fù)載的IGBT模塊的控制以及損耗計(jì)算,與傳統(tǒng)的損耗計(jì)算方法相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):

        1) 聯(lián)合仿真能夠?qū)⒛孀兤髦蠭GBT模塊開(kāi)通和關(guān)斷的延遲過(guò)程體現(xiàn)出來(lái),更加符合逆變器的實(shí)際工作過(guò)程;

        2) 通過(guò)電機(jī)控制算法和電機(jī)本體的Maxwell模型進(jìn)行聯(lián)合仿真,使得電機(jī)的工作狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)更為接近,相比較于傳統(tǒng)的Simulink仿真模型,三相電流的仿真值更加準(zhǔn)確,計(jì)算得到的損耗更可靠;

        3) 仿真結(jié)果取得了良好的測(cè)試效果,不再需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)過(guò)程,提高了測(cè)試效率,有效降低了逆變器選型的時(shí)間成本;此外,計(jì)算得到的損耗也為IGBT結(jié)溫估計(jì)計(jì)算提供了數(shù)據(jù),可對(duì)逆變器工作時(shí)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

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