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獨(dú)立咨詢與調(diào)查公司IDTechEX公司認(rèn)為，到2025年還沒有推出吸引人的電動(dòng)汽車產(chǎn)品的公司將“注定被淘汰出局。”其實(shí)說這話一點(diǎn)也不讓人感到驚訝，因?yàn)榻裉旎旌蟿?dòng)力和純電動(dòng)汽車(H/EV)市場正經(jīng)歷著空前的增長和創(chuàng)新。 我就職的Magna Electronics公司專注于通過為牽引驅(qū)動(dòng)和控制應(yīng)用提供工程、集成和創(chuàng)新解決方案支持這個(gè)新興的混合動(dòng)力/純電動(dòng)汽車市場，其中包括設(shè)計(jì)逆變器、直流直流轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、電池管理系統(tǒng)和其它關(guān)鍵元器件(圖1)。 圖1：用于混合動(dòng)力/純電動(dòng)汽車市場的電動(dòng)機(jī)和逆變器。 功率半導(dǎo)體器件和模塊是每個(gè)電源逆變器的關(guān)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(yīng)用，如混合動(dòng)力/純電動(dòng)汽車逆變器，因?yàn)樗鼈兙哂懈邏捍?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/電流" target="_blank" class="relatedlink">電流能力。IGBT是逆變器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵器件，因?yàn)樵撈骷奶匦詻Q定了逆變器的行為和外圍電路。 通過仿真改進(jìn)設(shè)計(jì) 一般來說，改變一個(gè)設(shè)計(jì)或在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證電路功能是非常耗時(shí)并且代價(jià)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(shè)計(jì)方式。 我們可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)手冊用Saber Model Architect建立IGBT模塊的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為的模型。可以用掃描工具將曲線輸入Saber，同時(shí)調(diào)整定位點(diǎn)以匹配曲線。關(guān)鍵要求是表征IGBT的動(dòng)態(tài)行為，包括結(jié)點(diǎn)電容、拖尾電流和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)行為，以匹配導(dǎo)通/關(guān)斷延時(shí)和上升下降時(shí)間。通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)可以使模型用于不同的電路設(shè)計(jì)，從而極大地推進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)過程。 建模IGBT以便完全匹配測試結(jié)果是很難的。主要問題之一是，器件特性非常不線性。此時(shí)Saber就很有用了，它能通過提供支持來優(yōu)化困難的模型。而確認(rèn)電路中的寄生參數(shù)也很難，因?yàn)殚_關(guān)行為取決于器件本身和電路的寄生參數(shù)。尤其是電源電路中的雜散電感可能在關(guān)斷時(shí)引起電壓過沖，而柵極驅(qū)動(dòng)電路中的寄生參數(shù)會影響開關(guān)速度。不過，通過多次反復(fù)調(diào)整電路可能取得良好匹配。 下面重點(diǎn)介紹了兩種不同的IGBT應(yīng)用，它們足以說明精確IGBT分析的好處。 過沖電壓保護(hù) 對于任何工業(yè)產(chǎn)品來說，可靠性是最重要的問題之一。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路板中有各種保護(hù)措施，可防止IGBT受到過壓、過流或過溫的破壞。這種應(yīng)用與IGBT模塊的電壓保護(hù)功能有關(guān)。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)，電流會瞬時(shí)增加到幾千安培。電路中的過流保護(hù)部分一旦檢測到大電流會立即關(guān)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(chǎn)生過沖電壓(圖2)。這個(gè)電壓如果沒有被鉗位將損壞器件。 圖2：諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)或逆變器等開關(guān)應(yīng)用在IGBT關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生過沖電壓(圖中的藍(lán)線)。 保護(hù)電路通過檢測Vce開啟反饋電路。保護(hù)電路正確工作的關(guān)鍵因素之一是IGBT模塊的關(guān)斷延時(shí)和下降時(shí)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(hù)電路中的元件，確保反饋時(shí)間滿足要求。在本例中，目標(biāo)是使Vce保持在550V以下。圖3中的紅色是在沒有保護(hù)的情況下IGBT關(guān)斷時(shí)的過沖電壓。藍(lán)線和綠線顯示了通過改變控制環(huán)路和柵極驅(qū)動(dòng)器中的延時(shí)而發(fā)生的不同行為。使用驅(qū)動(dòng)電路的Saber或Spice模型可以確保整個(gè)仿真模型的精度。 圖3：利用仿真理解改變保護(hù)電路內(nèi)器件參數(shù)而發(fā)生的效應(yīng)。 精確的Saber模型有助于驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路的功能、選擇正確的元件和調(diào)整參數(shù)。通過在實(shí)現(xiàn)硬件之前使用仿真可以顯著節(jié)省時(shí)間，降低工程成本。 傳導(dǎo)性電磁干擾(EMI)的預(yù)測 每個(gè)電源電路中都存在傳導(dǎo)輻射。他們發(fā)生的原因是快速變化的開關(guān)電流或電壓，這在脈動(dòng)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(dòng)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(gè)因素：與脈沖寬度有關(guān)的第一個(gè)交越頻率，與方波的上升和下降時(shí)間有關(guān)的第二個(gè)角頻率。因此我們需要建模IGBT模型的上升和下降時(shí)間，因?yàn)樗鼈冇绊懛治鼋Y(jié)果。 圖4a：信號被建模為梯形波形。波形持續(xù)時(shí)間(t0)確定了第一個(gè)角頻率，上升或下降時(shí)間(Tr或Tf)確定了第二個(gè)角頻率。 圖4b：相應(yīng)的頻譜。 圖5顯示了具有不同開關(guān)速度的器件模型分析結(jié)果。藍(lán)色波形顯示的是開關(guān)時(shí)間為50ns的理想開關(guān)，而紅色波形顯示的是實(shí)際IGBT模型。這兩個(gè)波形在高頻范圍內(nèi)有很明顯的差別。 圖5：比較理想開關(guān)(藍(lán)色)和精確IGBT模型(紅色)的頻率響應(yīng)。 本文小結(jié) 用Saber進(jìn)行精確的IGBT器件建模有助于開發(fā)逆變器產(chǎn)品，包括柵極驅(qū)動(dòng)器電路板設(shè)計(jì)和EMI濾波器設(shè)計(jì)。搭建硬件一般要花6到12個(gè)月時(shí)間，但仿真可以在任何原型創(chuàng)建之前達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。仿真有助于： 發(fā)現(xiàn)潛在的問題 理解系統(tǒng)行為 驗(yàn)證解決方案和功能 加快設(shè)計(jì)進(jìn)程 降低成本 提高效率 雖然本文只是簡單介紹了兩種應(yīng)用，但Saber可以用于仿真許多電路和子系統(tǒng)，分析各種控制電路板的EMI。 |
