李巖磊，劉 直，李 陽，代 鵬，陳明遠(yuǎn)，杜玉亮

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼具了MOSFET 和BJT 驅(qū)動功率小且飽和壓降低的優(yōu)勢。它的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了家電市場和各類工業(yè)輸變電裝置及牽引電動機(jī)控制［1］。然而，IGBT 通常具有較大的功率負(fù)荷和較高的運(yùn)行頻率，伴隨著快速通斷的工作狀態(tài)，電壓和電流會發(fā)生極大的變化，由于該器件的電壓和電流都存在反向恢復(fù)特性，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性會受到開關(guān)特性等相關(guān)動態(tài)參數(shù)影響［2］。其中，浪涌電壓等過電壓，以及相應(yīng)產(chǎn)生的過電流，不僅使其開關(guān)損耗增大，管殼溫度升高，更可能使其擊穿燒壞，已成為IGBT 功率模塊失效的重要原因之一［3］。因此，為提高IGBT 封裝模塊的建模仿真精度，浪涌電壓的研究對于系統(tǒng)風(fēng)險的評估、損耗和電磁兼容性的計算、電路設(shè)計的優(yōu)化、系統(tǒng)安全性的提高具有參考意義。

針對IGBT 浪涌電壓的研究，目前多聚焦于對其進(jìn)行抑制的方法探索，包括采用有源箝位電路［4］等抑制吸收電路［5］、增加?xùn)艠O電阻、降低主電路的分布電感［6］等。然而，對于浪涌電壓本身的來源和特性分析，目前展開的研究較為有限，而通過定量化研究加深對其形成機(jī)理的認(rèn)識，不僅有助于在IGBT 封裝模塊設(shè)計時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，更可以方便工程師在電路設(shè)計時有針對性地采取抑制措施，從而保障可靠性并實現(xiàn)電路優(yōu)化。試驗上常通過雙脈沖測試等方法進(jìn)行研究［7］，但是測試電路自身參數(shù)與實際難以匹配，且測試成本較高。理論上通?？赏ㄟ^基本的電路原理獲得浪涌電壓大致量級［8］或大致波形［4］，較為精確的方法是在電路中設(shè)置假定的分布電感，搭建更為精確的電路模型并計算獲得［5］，但由于分布電感的來源和大小并不明確，以此方式獲得的波形和電壓幅值并不具備現(xiàn)實的參考意義。

文中將根據(jù)IGBT 封裝、層疊母排和功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立精確的電磁場模型，采用矩量法（The Method of Moments，MOM）原理求解回路中主要器件的寄生電感、寄生電阻和寄生電容，以此為基礎(chǔ)建立逆變器單橋臂精確電路模型，測試得到IGBT 關(guān)斷短路工況下的浪涌電壓，并將結(jié)果與非精確電路所得浪涌電壓對比驗證該結(jié)果將有助于從機(jī)理上進(jìn)一步了解IGBT 浪涌電壓的來源，為電磁兼容等優(yōu)化設(shè)計、損耗計算、風(fēng)險評估提供有價值的參考。

1 IGBT 原理、特性和寄生參數(shù)

IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在IGBT 工作時由柵極電壓控制其關(guān)斷和開通，整個開啟過程與MOS 管的開啟過程完全一致，極其迅速，當(dāng)柵極電壓為正向時會形成溝道，以給PNP 晶體管提供基極的電流，從而形成導(dǎo)通狀態(tài)；與之相反的當(dāng)柵極電壓為反向時，不會形成溝道，基極流過相反的電流造成MOS 管斷開，即IGBT 關(guān)斷。

圖1 IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖[1]

IGBT 有輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，都屬于靜態(tài)特性，而開通關(guān)斷過程相關(guān)的動態(tài)特性更值得關(guān)注，在開通過程會產(chǎn)生過電壓和過電流，斷開過程電流會有拖尾效應(yīng)。只要主回路電感不太大，不會感應(yīng)出過高的浪涌電壓，然而如負(fù)載發(fā)生短路故障，流過元件的可能會非常大，進(jìn)而導(dǎo)致集電極產(chǎn)生過電壓，使得IGBT 損壞。

在IGBT 高速的通斷過程中，會產(chǎn)生很大的電流變化率和電壓變化率，使得系統(tǒng)中包含很大的高頻成分，且頻率的高低與變化率的大小成正比。對于IGBT 封裝模塊、線纜、PCB 板等電元器件存在寄生參數(shù)，在低頻環(huán)境中，這些電元器件的寄生參數(shù)產(chǎn)生的影響比較小，然而處于高頻段時電元器件的對外實質(zhì)性質(zhì)不再以單一形式體現(xiàn)，因此導(dǎo)致寄生參數(shù)的影響非常嚴(yán)重［9］。

2 單橋臂精確建模理論

文中以某型牽引變流器的單橋臂電路為主要研究對象，該電路包括直流側(cè)的層疊母排、功率模塊以及某型IGBT 封裝模塊，該IGBT 封裝模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，此模塊的組成部分主要包括：隔離基板、鋁基板、3 個IGBT 芯片以及3 個續(xù)流二極管（FWDs）芯片。

圖2 IGBT 封裝模塊內(nèi)部電路示意圖

2.1 單橋臂建模計算方法

文中的建模方法主要是采用矩量法提取準(zhǔn)靜態(tài)場下的寄生參數(shù)，同時結(jié)合IGBT 內(nèi)核芯片的等效電路，提出一種針對IGBT 浪涌電壓進(jìn)行精確建模仿真的方法，并針對IGBT 關(guān)斷短路工況下的浪涌電壓進(jìn)行對比測試。具體步驟為：

（1）逆變回路器件寄生參數(shù)提取

基于各個器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)各個器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，利用有限元方法求解電磁準(zhǔn)靜態(tài)場，其中寄生電感L、寄生電阻R、寄生電容C的求解均采用矩量法［10］原理獲得。

（2）IGBT 動態(tài)內(nèi)核建模

測試和分析IGBT 的關(guān)斷浪涌電壓需要IGBT相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)來源于IGBT 的數(shù)據(jù)手冊，據(jù)此可建立IGBT 動態(tài)內(nèi)核等效電路模型及合適的動態(tài)測試電路。

（3）單橋臂精確電路模型建立

單橋臂精確模型的建立是通過應(yīng)用提取寄生參數(shù)的有限元模型和IGBT 動態(tài)模型對理想元器件進(jìn)行替換，引入器件寄生參數(shù)和動態(tài)特性對系統(tǒng)的影響更加有助于對IGBT 的浪涌電壓進(jìn)行精確的分析和測試。

2.2 器件寄生參數(shù)提取方法

通過電準(zhǔn)靜態(tài)場和磁準(zhǔn)靜態(tài)場的方式采用矩量法計算求解元器件的寄生參數(shù)，其中電準(zhǔn)靜態(tài)場能夠求解計算得到電容C和電導(dǎo)參數(shù)G，而電感參數(shù)L和電阻參數(shù)R則是以磁準(zhǔn)靜態(tài)場進(jìn)行求解計算。

當(dāng)庫倫電場遠(yuǎn)大于渦旋電場的條件下，可以忽略電準(zhǔn)靜態(tài)場中二次源?B/?t的作用影響，具體關(guān)于電準(zhǔn)靜態(tài)場的方程組可以由麥克斯韋方程組進(jìn)行描述，方程為式（1）［11］：

同理，當(dāng)傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)大于位移電流時，位移電流?D/?t在磁準(zhǔn)靜態(tài)場的影響作用可以忽略，描述磁準(zhǔn)靜態(tài)場的麥克斯韋方程組為式（2）［11］：

文中采用近年來實際工程問題中應(yīng)用較為廣泛的矩量法求解準(zhǔn)靜態(tài)場方程組，提取器件的寄生參數(shù)。

2.3 IGBT 動態(tài)特性仿真方法

通過IGBT 的動態(tài)模型［11］可實現(xiàn)其動態(tài)特性的仿真分析，在IGBT 的動態(tài)模型中能夠考慮其輸出特性、傳輸特性、開關(guān)延遲以及二極管偏壓特性等，同時動態(tài)模型具有高精度的特點。IGBT 動態(tài)模型的準(zhǔn)確建立對于浪涌電壓系統(tǒng)級仿真分析具有一定的參考意義。某型號IGBT 搭建的等效電路模型如圖3 所示。

圖3 IGBT 動態(tài)等效電路模型

3 仿真分析模型

逆變器功率單元中的寄生參數(shù)類型主要包括IGBT 內(nèi)部封裝電路寄生參數(shù)、直流回路（層疊母排和功率模塊）寄生參數(shù)。參數(shù)提取基于國產(chǎn)的Simdroid 多物理場仿真平臺進(jìn)行建模計算，主要步驟包括幾何建模、材料設(shè)置、網(wǎng)格剖分、物理場設(shè)置求解和結(jié)果后處理等。

3.1 IGBT 封裝模型

IGBT 封裝模塊中的3 個IGBT 芯片和3 個二極管芯片通過多層PCB 板連接，如圖4 所示。建立IGBT 封裝的有限元模型，提取內(nèi)部電路的寄生參數(shù)。

圖4 IGBT 封裝板

該型IGBT 封裝板包含鋁基板、環(huán)氧樹脂板、芯片和銅板層，芯片通過環(huán)氧樹脂安裝在鋁基板上，銅板層用于連接芯片，同時環(huán)氧樹脂也作為銅板之間的絕緣材料。在三維模型基礎(chǔ)上創(chuàng)建封裝板的有限元模型，并在準(zhǔn)靜態(tài)場中，通過矩量法提取不同頻率下的寄生參數(shù)。掃描頻率范圍取500 Hz～30 MHz，掃描間隔則采用Log 以50 Hz 等間隔取。所提取寄生參數(shù)曲線如圖5 所示。

圖5 IGBT 封裝板寄生參數(shù)

3.2 層疊母排模型

層疊母排屬于逆變系統(tǒng)的直流回路環(huán)節(jié)，在直流回路環(huán)節(jié)，層疊母排的輸入為整流后的直流電，經(jīng)層疊母排輸送給逆變器。層疊母排可分3層：一層為P 極，一層為N 極，中間層為很薄的絕緣材料，三維模型如圖6 所示。

圖6 層疊母排

按照處理IGBT 封裝板的方式，建立層疊母排的有限元模型，并根據(jù)矩量法提取母排的寄生參數(shù)，所得寄生參數(shù)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 層疊母排寄生參數(shù)

3.3 功率模塊模型

功率模塊包含多個IGBT 封裝板，通過板層結(jié)構(gòu)連接各個IGBT、直流回路以及三相交流支路，如圖8 所示。

圖8 功率模塊

按照上述處理方式，建立功率模塊的有限元模型，并根據(jù)矩量法提取寄生參數(shù)，所得寄生參數(shù)結(jié)果如圖9 所示。

圖9 功率模塊寄生參數(shù)結(jié)果

3.4 單橋臂電路模型

文中基于Simulink 平臺進(jìn)行電路仿真，考慮逆變器功率單元主回路中的以上3 種寄生參數(shù)，搭建逆變器單橋臂精確電路，開展IGBT 關(guān)斷短路工況下的浪涌電壓測試研究。

在逆變器模塊中，各個器件都存在著分布電感與電容等寄生參數(shù)。根據(jù)不同回路中的寄生參數(shù)搭建逆變器單橋臂單元的寄生參數(shù)分布等效電路，如圖10 所示，Cs為支撐電容，Ls1與Ls2為直流主回路中的寄生電感，即層疊母排的寄生參數(shù)；L1、L2、L3、L4、C1和C2為單橋臂回路中的寄生參數(shù)，即功率模塊的寄生參數(shù)；Ld1～Ld4和Cd1～Cd2為驅(qū)動 回路的寄生參數(shù)，即IGBT 封裝的部分寄生參數(shù)。

圖10 含寄生參數(shù)的單橋臂等效電路

根據(jù)上述IGBT 內(nèi)核動態(tài)模型和圖2 中的IGBT 封裝內(nèi)部電路搭建精確的IGBT 封裝電路，如圖11 所示。然后結(jié)合IGBT 封裝精確電路模型和各個回路寄生參數(shù)提取結(jié)果，根據(jù)上述單橋臂等效電路，建立單橋臂精確電路模型，如圖12 所示。

圖11 IGBT 封裝精確電路

圖12 單橋臂精確電路

4 結(jié)果與討論

4.1 浪涌電壓仿真結(jié)果對比

以3 600 V 的直流母線電壓，分別仿真計算理想器件構(gòu)建的單橋臂電路模型、考慮動態(tài)內(nèi)核的單橋臂電路模型和考慮動態(tài)內(nèi)核與寄生參數(shù)的單橋臂精確電路模型在IGBT 關(guān)斷短路工況時的浪涌電壓，結(jié)果如圖13～圖15 所示。

圖13 理想電路IGBT 浪涌電壓

圖14 考慮動態(tài)內(nèi)核IGBT 浪涌電壓

圖15 考慮內(nèi)核與寄生參數(shù)IGBT 浪涌電壓

由圖可知3 種不同精度模型的涌浪電壓幅值與持續(xù)時間見表1。

表1 不同模型的浪涌電壓對比

從上述結(jié)果可知，理想器件單橋臂電路中，IGBT 關(guān)斷過程中不存在浪涌電壓；考慮動態(tài)內(nèi)核模型的單橋臂電路中，IGBT 關(guān)斷過程存在著較小的浪涌電壓，電壓尖峰值達(dá)到3 859.2 V，振蕩維持約0.4 μs；而考慮動態(tài)內(nèi)核與寄生參數(shù)影響的單橋臂精確電路中，IGBT 關(guān)斷過程在浪涌電壓明顯增大很多，尖峰電壓值高達(dá)4 362.8 V，振蕩時間將持續(xù)約1.2 μs。對比僅考慮IGBT 動態(tài)特性的情況，建立各個回路寄生參數(shù)的精確模型，IGBT 關(guān)斷過程的尖峰值增大了約13.05%，振蕩時間延長了約200%。

4.2 寄生參數(shù)對浪涌電壓的影響

從上述仿真結(jié)果中可知，在IGBT 的關(guān)斷過程中，功率模塊的寄生參數(shù)、層疊母排寄生參數(shù)和IGBT 封裝內(nèi)部的寄生參數(shù)等對IGBT 浪涌電壓值具有顯著的影響，進(jìn)而影響逆變器等功率設(shè)備的工作性能。

在IGBT 關(guān)斷短路工況換流時，由于電流變化率很高且回路中存在寄生電感，回路中的電感會阻止負(fù)載電流的換向，從而在IGBT 中感應(yīng)出過電壓，此過電壓即為IGBT 關(guān)斷短路工況時產(chǎn)生的浪涌電壓。另外寄生電容和寄生電感還可能進(jìn)一步引起振蕩，從而對電路元器件或通過電磁輻射對環(huán)境造成干擾。

綜合圖5、圖7、圖9 所得各器件寄生參數(shù)結(jié)果，可知本次研究對象的寄生電感范圍約60～400 nH，寄生電阻范圍約0～60 mΩ，寄生電容范圍約0～450 pF。為研究不同寄生參數(shù)對浪涌電壓值的影響情況，根據(jù)上述取值范圍對各個寄生參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，所得分析結(jié)果如圖16～圖18所示。

圖16 寄生電感對浪涌電壓的影響

圖17 寄生電阻對浪涌電壓的影響

圖18 寄生電容對浪涌電壓的影響

對比圖16～圖18 結(jié)果可知，在本次研究對象的寄生電感范圍內(nèi)關(guān)斷峰值電壓的變化值高達(dá)約679 V，而寄生電阻范圍內(nèi)關(guān)斷峰值電壓變化值為30 V 左右，寄生電容范圍內(nèi)關(guān)斷峰值電壓變化值僅為2.5 V。因此，在IGBT 關(guān)斷過程中，3 種寄生參數(shù)中寄生電感對關(guān)斷浪涌電壓影響最大，浪涌電壓隨著寄生電感的增大而增大；而所考慮的3 種器件中層疊母排和功率模組對關(guān)斷浪涌電壓影響較大，并且層疊母排和功率模組的寄生參數(shù)對浪涌電壓的影響基本一致，這是因為層疊母排和功率模組的寄生參數(shù)基本都屬于直流回路參數(shù)。另外，IGBT 封裝的寄生參數(shù)屬于驅(qū)動回路參數(shù)，對關(guān)斷浪涌電壓產(chǎn)生的影響較小。

綜上所述，直流回路器件的寄生電感較大時會造成IGBT 關(guān)斷浪涌電壓過大，因此可考慮從直流回路器件的寄生參數(shù)角度抑制浪涌電壓。

5 結(jié)論

文中提出了一種針對IGBT 浪涌電壓進(jìn)行精確仿真的方法。首先使用矩量法對逆變電路中主要器件的寄生參數(shù)進(jìn)行提取，結(jié)合IGBT 動態(tài)建模方法建立其動態(tài)內(nèi)核模型，并基于此建立逆變器單橋臂電路的精確模型，針對IGBT 關(guān)斷短路工況開展了單橋臂精確電路的浪涌電壓仿真測試，并與非精確電路模型結(jié)果對比。結(jié)果顯示，回路中器件的寄生參數(shù)對IGBT 浪涌電壓有很大影響，驗證了器件寄生參數(shù)是IGBT 產(chǎn)生浪涌電壓的主要原因之一。相比采用等效電路法研究寄生參數(shù)對IGBT 浪涌電壓的影響，本方法中的模型與結(jié)果更加貼近實際，更具有工程應(yīng)用價值。

同時，采用參數(shù)化分析方法，探究了回路中各器件寄生參數(shù)對IGBT 關(guān)斷浪涌電壓的影響，結(jié)果表明直流回路中層疊母排和功率模組器件的寄生電感對浪涌電壓影響最大。

文中所建模型和仿真結(jié)果有助于電路設(shè)計者、電氣工程師等開展IGBT 和封裝模塊的可靠性驗證和優(yōu)化設(shè)計。而基于該方法可以針對浪涌電壓抑制電路進(jìn)行精確的仿真建模，為相關(guān)人員開展虛擬測試驗證提供一種新的思路。