1 引言 IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）模塊在整個變頻器設(shè)計過程中將決定系統(tǒng)的成本和可靠性，甚至產(chǎn)品壽命。因此，計算IGBT損耗和溫度分布以及容易被忽略的結(jié)溫紋波對于設(shè)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(yīng)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(fā)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(fā)周期，提高設(shè)計效率，其層次結(jié)構(gòu)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(yōu)點。它能夠計算基于正弦輸出電流條件下IGBT和續(xù)流二極管的導通損耗和開關(guān)損耗，進而分析其溫度特性。在用該工具進行仿真前應(yīng)該考慮兩個方面的問題，其一是變頻器工作點的參數(shù)，如輸出電流，直流電壓，功率因數(shù)，過載系數(shù)，調(diào)制系數(shù)，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?jīng)Q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(yōu)運行狀態(tài)的。其二，IGBT自身的熱特性。這是分析IGBT在變頻器給定應(yīng)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(jié)溫125℃或150℃（取決于芯片技術(shù)）是其最根本的安全運行條件。通過優(yōu)化IGBT運行參數(shù)來降低損耗，使其平均結(jié)溫低于運行結(jié)溫。IPOSIM工具正是從這兩個角度出發(fā)進行IGBT仿真分析。 2 基本原理 通常而言，在通用變頻器領(lǐng)域中圖2所示的拓撲結(jié)構(gòu)是最為常見。由于三相電路的對稱性，因此，僅分析其基本結(jié)構(gòu)半橋，其包括兩個IGBT開關(guān)和兩個續(xù)流二極管。在變頻器控制中，經(jīng)常用SPWM調(diào)制策略來控制IGBT開通和關(guān)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(chǎn)生的SPWM信號決定。當基于SPWM調(diào)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(guān)頻率，使變頻器輸出電流為連續(xù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)平均損耗計算可以只考慮一個開關(guān)，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(guān)進行的，計算和顯示單個開關(guān)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(jié)構(gòu)。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?yún)?shù)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(guān)能量測試電壓±20%的范圍。該值大小對計算IGBT開關(guān)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(guān)損耗與直流母線電壓成線性關(guān)系。如果該值超過該限制條件，仿真也能夠進行，但是仿真結(jié)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(guān)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(qū)（RBSOA），英飛凌IGBT模塊有能力關(guān)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(nèi)。 3.3 功率損耗 在最大允許運行結(jié)溫Tjop和給定的殼溫Tc條件下，由于結(jié)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(shè)計，會得到不同的最大功率損耗，由于結(jié)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。