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1、微电机2004年第37卷第6期(总第141期)伺服技术·SERVOTECHNIQUE基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算曹永娟李强林明耀(东南大学电气工程系,南京210096)摘要:基于PSPICE仿真,结合无刷直流电机提出了IGBT功率损耗的估算方法,研究了IGBT功率损耗与开关频率和栅极电阻阻值之间的关系。关键词:功耗;IGBT;仿真;中图分类号:TP211.5文献标识码:A文章编号:1001-6848(2004)06-0040-02MethodofestimatingPowerlossofIGBTbasedonPSPICESimulationCAOYong-juan,LIQ
2、iang,LINMing-yao(SoutheastUniuersity,Nanjing210096,China)Abstract:Inthispaper.amethodofestimatingpowerlossofIGBTbasedonPSPICEsimulationisproposed,andtherelationsbetweenpowerlossofIGBTandswitchfrequency,gateresistancearepresented.Keywords:powerloss;IGBT;simulation1IGBT电路仿真模型图1所示是三相星形连接的无刷直流电机的全
3、控电路。T1,T2⋯T6为6只IGBT绝缘栅晶体管,S1,S2⋯S6为6个控制信号。本电路采用两两导通六状态运行方式,同时PWM调制采用上桥臂调制图2一相绕组仿真电路图下桥臂恒通的调制方式,这样可以降低逆变器的开IGBT可靠关断,设定低电压为-5V;下桥臂直流源关损耗。通过控制上桥臂PWM波形的占空比来改为+15V;栅极电阻RG暂取为100,加至IGBT的电变加到电机绕组的电压,从而控制电机的转速。为了源为300Vdc,负载为电感性。缩短仿真时间,将三相电路简化为如图2所示的一2仿真结果相绕组电路进行仿真。图3所示为加在IGBT的G1、E1间控制上桥臂晶体管导通与关断的PWM信号波
4、形。由于下桥臂晶体管始终导通,负载为电感性,并且由于集射极间电压的变化通过极间电容耦合的作用,所以控制电压PWM波形略有失真。图1三相全控电路图设定PWM信号的高电压为+15V,为了确保图3门极控制电压波形图图4所示为IGBT集射间电压VC波形。当VGE收稿日期:2003-05-28为15V时,IGBT导通,VCE为饱和压降,大约为0.—40—压缩机用稀土永磁无刷直流直线电动机马瑞卿刘卫国刘景林其开关损耗分别为:t+toff1Psoff=∫tuidt(3)Tofft+ton1Pson=∫uidt(4)TonPs=Psof+Pson(5)图4集射间电压波形图式(3)～(4)中,u、i
5、分别表示IGBT集射间电压7V。当VGE降为-5V时,IGBT关断,关断过程中集瞬时值及集电极电流瞬时值。开通与关断功耗不相射电压VCE的变化情况与负载的性质有关,VCE上升同,关断时间比开通时间长,关断损耗明显大于开通到700多伏。在电感性负载情况下,VCE会突然上升损耗。忽略开通时的功率损耗。因此总功率损耗由而产生过冲现象,IGBT将承受较高的dT/dt冲击。关断功率损耗和导通时的功率损耗构成。功率损耗计算程序流程图如图6所示。图5集电极电流波形图图5所示为集电极电流IC随时间变化的仿真波形。如果负载是纯电阻性的,则集电极的—发射极电压VCE就反映了集电极电流IC,集电极电流与
6、集电极—发射极电压以同样规律变化。但对于电感性负载,电感中的电流不能突变,故在图5中Ic呈连续状态。在图2中,电感L1=6.7mH,电阻R10=1.8。负载阻抗为R+j2PfL(取f=5kHZ),即约为1.8图6IGBT功率损耗计算程序流程图+j210,可见,负载几乎为纯电感性。当IGBT导通在针对于IGBT电路模拟的PSPICE仿真图形或关断时,电感电流不能突变,呈缓慢上升或下降趋中,提供了功耗计算所需的集射间电压瞬时值和流势。过集电极的电流瞬时值。利用它们再根据式(1)～(5),进行数值计算,即可求得电路的总能耗。3功耗计算4计算结果功率半导体器件大多数工作于开关形式,在开、关
7、过程和导通工作过程都有功率损耗。IGBT器件改变PWM脉冲电压的工作频率,即改变IG-的总功耗P,是由开和关瞬时功耗Ps和通态功耗PfBT的开关频率,分别计算在相同的时间内IGBT的功率损耗,得出开关频率与功率损耗的对应数值如组成的。表1所示。对应于RG=100,占空比=50%,改变栅P=Pf+Ps(1)极电阻RG值,分别计算IGBT在一个周期内的功率3.1通态损耗损耗,得功率损耗与栅极电阻RG的对应数值如表2所示,对应于f=5k,占空比=50%。IGBT开通后,在饱
