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IPOSIM-IGBT仿真工具在變頻器設計中的應用

企業：領域：儀器儀表行業：石油天然氣
點擊數：1097 發布時間：2008-01-27 14:41:28
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IPOSIM-IGBT仿真工具在變頻器設計中的應用

　　1 引言
　　　　 IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）模塊在整個變頻器設計過程中將決定系統的成本和可靠性，甚至產品壽命。因此，計算IGBT損耗和溫度分布以及容易被忽略的結溫紋波對于設計工程師來說是非常重要的。另外，比較不同IGBT模塊在給定應用條件下的輸出電流能力也是非常有意義的。為此，英飛凌開發了一個功能強大、使用靈活的IGBT仿真工具IPOSIM，它能幫助你縮短變頻器的開發周期，提高設計效率，其層次結構框圖如圖1所示。
　　

　　
　　
　　相比其它類似的仿真工具，IPOSIM擁有友好的界面，容易使用，功能豐富，不需要其它軟件平臺來支持運行等很多優點。它能夠計算基于正弦輸出電流條件下IGBT和續流二極管的導通損耗和開關損耗，進而分析其溫度特性。在用該工具進行仿真前應該考慮兩個方面的問題，其一是變頻器工作點的參數，如輸出電流，直流電壓，功率因數，過載系數，調制系數，輸出頻率。這些是IPOSIM仿真工具進行損耗計算的輸入前提條件，它僅能夠從電氣性能角度來初步決定IGBT模塊，不能保證IGBT在一定負荷條件下是處于安全和最優運行狀態的。其二，IGBT自身的熱特性。這是分析IGBT在變頻器給定應用條件下能否安全運行非常重要的方面。對于IGBT芯片來說，不要超過其最大允許運行結溫125℃或150℃（取決于芯片技術）是其最根本的安全運行條件。通過優化IGBT運行參數來降低損耗，使其平均結溫低于運行結溫。IPOSIM工具正是從這兩個角度出發進行IGBT仿真分析。
　　　　
　　2 基本原理
　　　　通常而言，在通用變頻器領域中圖2所示的拓撲結構是最為常見。由于三相電路的對稱性，因此，僅分析其基本結構半橋，其包括兩個IGBT開關和兩個續流二極管。在變頻器控制中，經常用SPWM調制策略來控制IGBT開通和關斷。IGBT和二極管的導通占空比由參考正弦波和三角波的交叉點所產生的SPWM信號決定。當基于SPWM調制輸出電壓加到電機上時，由于較大的負載電感和較高的開關頻率，使變頻器輸出電流為連續正弦波形。圖3為流過半橋中IGBT和二極管的電流波形。輸出電流io的正半周通過IGBT1和二極管D2，如圖2實線所示；負半周通過IGBT2和二極管D1，如圖2虛線所示。所以，在半個周期內僅有一個IGBT和二極管交替導通來承擔輸出電流。
　　

　　圖2 通用變頻器的基本拓撲結構及PWM
　　
　　

　　圖3 流過IGBT和二極管的電流波形
　　
　　
　　因此，在一個完整周期內平均損耗計算可以只考慮一個開關，包括一個IGBT和一個二極管。IPOSIM進行損耗分析也是基于一個開關進行的，計算和顯示單個開關的損耗情況，包括IGBT和二極管兩部分。整個計算過程不依賴模塊的電路結構。詳細計算損耗的方法將在后面提到。
　　　　
　　3 IPOSIM仿真原則
　　　　3.1 直流母線電壓Vdc
　　　　在IPOSIM中輸入參數直流母線電壓Vdc的值是受限制的，不能超過所選的IGBT模塊開關能量測試電壓±20%的范圍。該值大小對計算IGBT開關損耗有一定影響，當該值接近±20%測試電壓時，可以近似認為開關損耗與直流母線電壓成線性關系。如果該值超過該限制條件，仿真也能夠進行，但是仿真結果可能會不準確。
　　　　3.2 IGBT輸出電流
　　　　 IGBT標稱電流Inom的定義是在給定的殼溫條件下無開關過程時允許通過的最大直流電流，并非IGBT流過電流的最大能力。IGBT最大輸出電流的大小是受IGBT自身允許最大損耗的限制，另一個是IGBT輸出電流峰值的限制。考慮到IGBT的反向安全工作區（RBSOA），英飛凌IGBT模塊有能力關斷兩倍的額定電流，但是在沒有超過熱限制的條件下會嚴格限制輸出電流的有效值Irms到2*Inom/范圍內。
　　　　3.3 功率損耗
　　　　在最大允許運行結溫Tjop和給定的殼溫Tc條件下，由于結到殼的熱阻將會限制IGBT和二極管所允許的功率損耗。不同殼溫的設計，會得到不同的最大功率損耗，由于結溫紋波，功率限制也會隨著輸出頻率的變化而改變。輸出頻率越低，允許的功率損耗越小。
　　

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