saber与matlab在igbt动态特性仿真中应用探究

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1、Saber与Matlab在IGBT动态特性仿真中应用探究　　【摘要】简要分析了目前常用的电力电子仿真软件Saber和Matlab的主要性能特点及在电力电子仿真中的适用程度。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）广泛应用于中大功率变频器中，其开关特性决定了变频器的输出特性，由于大多数电机均为电阻电感性负载，因此应用以上两种仿真软件对电阻电感性负载的IGBT开关回路进行动态仿真研究比较，并通过实验证明，Saber软件中的IGBT模型输出特性更接近于真实情况。【关键词】IGBT；动态特性；Saber；Matlab1.引言目前，常用的电力电子仿真软

2、件大体上分为三大类。一类是提供有详细器件模型的通用电路仿真软件，如PSPICE和Saber。另一类是在现有仿真软件的基础上加入理想器件模型从而将仿真领域扩展到电力电子装置的系统分析中，如EMTP和Matlab。还有一类是专用仿真软件，针对电子电路中的某些专门方面进行仿真分析，如热学和电磁兼容等[1]。8本文将简单对比目前国内最为常用的仿真软件以及在电力电子有着突出优势的仿真软件Matlab和Saber的主要性能特点和在电力电子仿真中的适用程度。并通过实验比较两者在绝缘栅双极型晶体管IGBT开关回路动态分析中的仿真结果，哪个更接近于真

3、实情况。2.Matlab与Saber模型比较Matlab是目前控制领域使用最为广泛的仿真软件之一，Matlab采用的数值积分方法为龙格库塔法（K-R）采用的建模方法为状态变量分析法，在选择步长时可以采用定步长或变步长。Matlab本身擅长于控制系统的设计与分析。为了将其应用范围扩展到电力电子仿真领域Mathworks公司于1998年推出了包括以双电阻理想开关模型为基础的电力系统软件包，为Matlab用户的电力电子电路进行仿真提供了有力的工具[2]。Saber仿真软件是一种通用的电力电子仿真软件包。Saber提供了丰富的通用模型和各种

4、精确的具体型号器件的专用模型，在Saber下关于IGBT的通用模型有5个，包括Henfer模型、描述动态热特性的模型及描述行为特征的IGBT1模型。其中IGBT1模型主要用于描述IGBT的静态特性、非线性极间电容及关断时拖尾电流等，因此常用于IGBT瞬态及稳态的仿真，模型等效电路如图1所示。图1IGBT1模型等效电路图图1中Rg为内部门极电阻，受控电流源Imos由Uce和Uge控制，Uon代表Uce门槛值3个极间电容满足以下关系：Crss=Ccg（1）8Coss=Ccg+Cce（2）Coss=Ccg+Cge（3）式中，Ciss为输入

5、电容；Coss为反馈电容；Crss为输出电容。等效电路中的Cge并不影响器件的开关特性，它只在设计缓冲电路时需要考虑。Ciss，Coss，Crss和Uce的关系曲线及门极电荷特性曲线获得。Ctail，Rtail和Itail仅与器件关断时刻的拖尾电流有关，与IGBT直流及开通特性无关[3]。3.IGBT开关回路的模型测试及动态特性仿真IGBT综合了功率场效应晶体管MOSFEF（PowerMOSFieldEffectTransistor）以及电力晶体管GTR（GiantTRansistot）的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低

6、、阻抗电压高、承受电流大的优点。用IGBT构建的电力电子静态开关具有很高的开关频率，可以实现无噪声、无火花运行[4]。IGBT是由MOSFET和双极晶体管BJT（BipolarJunctionTransistor）组成的达林顿管，并且是由MOSFET驱动BJT.IGBT的传输特性主要由功率MOSFET决定，其传输特性与功率MOSFET的转移特性非常相似。8由于IGBT的开通过程与MOSFET非常相似，因此在IGBT正向导通状态下，可作为MOSFET来运行。但是，其关断过程的动态特性不同于其他器件，当IGBT从正向导通状态转入正向阻断

7、状态时，栅极电压下降，栅电容放电。当栅压下降到IGBT的栅极阀值UT以下时，导电沟道消失，N+源区不再向N基区输送电子，电子电流为零，但是由于P+向N基区注入的空穴流不能迅速被复合，所以电流会逐渐衰减到零。IGBT关断过程的电流随时间变化，我们可以大体分为两个阶段：第一个阶段下降幅度比较大，取决于IGBT内的PNP晶体管的电流放大系数，即：第二个阶段下降时间相对较长，主要取决于N基区空穴流的复合速度，即N基区中少数空穴的寿命。IGBT关断过程的集电极电压UCE的变化主要取决于负载的性质。阻性负载下，UCE曲线基本上是集电极电流IC曲

8、线的对称。感性负载下，UCE在上升过程中，会出项过冲情况，然后再降为UCE，此过程中，d/td很高，会产生关断尖峰，下面将进行IGBT动态特性的测试实验，以及Saber和Matlab开关回路的动态特性仿真[5]。3.1IGBT动态特性