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獨立咨詢與調查公司IDTechEX公司認為，到2025年還沒有推出吸引人的電動汽車產品的公司將“注定被淘汰出局。”其實說這話一點也不讓人感到驚訝，因為今天混合動力和純電動汽車(H/EV)市場正經歷著空前的增長和創新。 我就職的Magna Electronics公司專注于通過為牽引驅動和控制應用提供工程、集成和創新解決方案支持這個新興的混合動力/純電動汽車市場，其中包括設計逆變器、直流直流轉換器、電動機、電池管理系統和其它關鍵元器件(圖1)。 圖1：用于混合動力/純電動汽車市場的電動機和逆變器。 功率半導體器件和模塊是每個電源逆變器的關鍵器件。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊則常被用于中高功率應用，如混合動力/純電動汽車逆變器，因為它們具有高壓大電流能力。IGBT是逆變器設計中的關鍵器件，因為該器件的特性決定了逆變器的行為和外圍電路。 通過仿真改進設計 一般來說，改變一個設計或在實驗室驗證電路功能是非常耗時并且代價高昂的一件事。電路仿真為電氣工程師提供了一種更高效的設計方式。 我們可以根據相關數據手冊用Saber Model Architect建立IGBT模塊的靜態和動態行為的模型。可以用掃描工具將曲線輸入Saber，同時調整定位點以匹配曲線。關鍵要求是表征IGBT的動態行為，包括結點電容、拖尾電流和續流二極管的反向恢復行為，以匹配導通/關斷延時和上升下降時間。通過調整關鍵參數可以使模型用于不同的電路設計，從而極大地推進產品開發過程。 建模IGBT以便完全匹配測試結果是很難的。主要問題之一是，器件特性非常不線性。此時Saber就很有用了，它能通過提供支持來優化困難的模型。而確認電路中的寄生參數也很難，因為開關行為取決于器件本身和電路的寄生參數。尤其是電源電路中的雜散電感可能在關斷時引起電壓過沖，而柵極驅動電路中的寄生參數會影響開關速度。不過，通過多次反復調整電路可能取得良好匹配。 下面重點介紹了兩種不同的IGBT應用，它們足以說明精確IGBT分析的好處。 過沖電壓保護 對于任何工業產品來說，可靠性是最重要的問題之一。IGBT柵極驅動電路板中有各種保護措施，可防止IGBT受到過壓、過流或過溫的破壞。這種應用與IGBT模塊的電壓保護功能有關。當負載出現短路時，電流會瞬時增加到幾千安培。電路中的過流保護部分一旦檢測到大電流會立即關斷IGBT。然而，快速的電流變化率作用于電路中的寄生電感后會在晶體管中產生過沖電壓(圖2)。這個電壓如果沒有被鉗位將損壞器件。 圖2：諸如電機驅動或逆變器等開關應用在IGBT關斷時會產生過沖電壓(圖中的藍線)。 保護電路通過檢測Vce開啟反饋電路。保護電路正確工作的關鍵因素之一是IGBT模塊的關斷延時和下降時間，這正是精確的IGBT模型之所以重要的原因。其它重要因素是選擇保護電路中的元件，確保反饋時間滿足要求。在本例中，目標是使Vce保持在550V以下。圖3中的紅色是在沒有保護的情況下IGBT關斷時的過沖電壓。藍線和綠線顯示了通過改變控制環路和柵極驅動器中的延時而發生的不同行為。使用驅動電路的Saber或Spice模型可以確保整個仿真模型的精度。 圖3：利用仿真理解改變保護電路內器件參數而發生的效應。 精確的Saber模型有助于驗證所設計的電路的功能、選擇正確的元件和調整參數。通過在實現硬件之前使用仿真可以顯著節省時間，降低工程成本。 傳導性電磁干擾(EMI)的預測 每個電源電路中都存在傳導輻射。他們發生的原因是快速變化的開關電流或電壓，這在脈動電路中是很常見的。EMI方面感興趣的頻率范圍通常是從100kHz至100MHz。 電源電路中的脈動電流或電壓看起來像圖4a中的方波。方波的快速傅里葉變換(FFT)分析見圖4b。頻譜衰減取決于方波的兩個因素：與脈沖寬度有關的第一個交越頻率，與方波的上升和下降時間有關的第二個角頻率。因此我們需要建模IGBT模型的上升和下降時間，因為它們影響分析結果。 圖4a：信號被建模為梯形波形。波形持續時間(t0)確定了第一個角頻率，上升或下降時間(Tr或Tf)確定了第二個角頻率。 圖4b：相應的頻譜。 圖5顯示了具有不同開關速度的器件模型分析結果。藍色波形顯示的是開關時間為50ns的理想開關，而紅色波形顯示的是實際IGBT模型。這兩個波形在高頻范圍內有很明顯的差別。 圖5：比較理想開關(藍色)和精確IGBT模型(紅色)的頻率響應。 本文小結 用Saber進行精確的IGBT器件建模有助于開發逆變器產品，包括柵極驅動器電路板設計和EMI濾波器設計。搭建硬件一般要花6到12個月時間，但仿真可以在任何原型創建之前達到設計優化的目的。仿真有助于： 發現潛在的問題 理解系統行為 驗證解決方案和功能 加快設計進程 降低成本 提高效率 雖然本文只是簡單介紹了兩種應用，但Saber可以用于仿真許多電路和子系統，分析各種控制電路板的EMI。 |
