IPOSIM-IGBT仿真工具在变频器设计中的应用

1 引言 　　 IGBT（绝缘栅双极性晶体管）模块在整个变频器设计过程中将决定系统的成本和可靠性，甚至产品寿命。因此，计算IGBT损耗和温度分布以及容易被忽略的结温纹波对于设计工程师来说是非常重要的。另外，比较不同IGBT模块在给定应用条件下的输出电流能力也是非常有意义的。为此，英飞凌开发了一个功能强大、使用灵活的IGBT仿真工具IPOSIM，它能帮助你缩短变频器的开发周期，提高设计效率，其层次结构框图如图1所示。 相比其它类似的仿真工具，IPOSIM拥有友好的界面，容易使用，功能丰富，不需要其它软件平台来支持运行等很多优点。它能够计算基于正弦输出电流条件下IGBT和续流二极管的导通损耗和开关损耗，进而分析其温度特性。在用该工具进行仿真前应该考虑两个方面的问题，其一是变频器工作点的参数，如输出电流，直流电压，功率因数，过载系数，调制系数，输出频率。这些是IPOSIM仿真工具进行损耗计算的输入前提条件，它仅能够从电气性能角度来初步决定IGBT模块，不能保证IGBT在一定负荷条件下是处于安全和最优运行状态的。其二，IGBT自身的热特性。这是分析IGBT在变频器给定应用条件下能否安全运行非常重要的方面。对于IGBT芯片来说，不要超过其最大允许运行结温125℃或150℃（取决于芯片技术）是其最根本的安全运行条件。通过优化IGBT运行参数来降低损耗，使其平均结温低于运行结温。IPOSIM工具正是从这两个角度出发进行IGBT仿真分析。 　　 2 基本原理 　　 通常而言，在通用变频器领域中图2所示的拓扑结构是最为常见。由于三相电路的对称性，因此，仅分析其基本结构半桥，其包括两个IGBT开关和两个续流二极管。在变频器控制中，经常用SPWM调制策略来控制IGBT开通和关断。IGBT和二极管的导通占空比由参考正弦波和三角波的交叉点所产生的SPWM信号决定。当基于SPWM调制输出电压加到电机上时，由于较大的负载电感和较高的开关频率，使变频器输出电流为连续正弦波形。图3为流过半桥中IGBT和二极管的电流波形。输出电流io的正半周通过IGBT1和二极管D2，如图2实线所示；负半周通过IGBT2和二极管D1，如图2虚线所示。所以，在半个周期内仅有一个IGBT和二极管交替导通来承担输出电流。 图2 通用变频器的基本拓扑结构及PWM 图3 流过IGBT和二极管的电流波形 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。 　　 3 IPOSIM仿真原则 　　3.1 直流母线电压Vdc 　　 在IPOSIM中输入参数直流母线电压Vdc的值是受限制的，不能超过所选的IGBT模块开关能量测试电压±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±20%测试电压时，可以近似认为开关损耗与直流母线电压成线性关系。如果该值超过该限制条件，仿真也能够进行，但是仿真结果可能会不准确。 　　3.2 IGBT输出电流 　　 IGBT标称电流Inom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Irms到2*Inom/范围内。 　　3.3 功率损耗 　　 在最大允许运行结温Tjop和给定的壳温Tc条件下，由于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，允许的功率损耗越小。