0 引言

    絕緣柵型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,，IGBT)是由MOSFET和功率雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件。IGBT既具有MOSFET的高速開(kāi)關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性,，又有功率雙極型晶體管（BJT）的低飽和電壓特性及易實(shí)現(xiàn)較大電流的能力,，在工業(yè)、能源,、交通等場(chǎng)合越來(lái)越不可取代^[1],。雖然在電力電子電路中，IGBT主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),，但是IGBT仍然是功耗較大的電子器件,，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增高,，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而成為器件功耗的主要因素^[2]。

    IGBT模塊的性能與其開(kāi)關(guān)特性密切相關(guān),，器件的開(kāi)關(guān)特性直接決定其開(kāi)關(guān)損耗,，開(kāi)關(guān)損耗制約著器件的工作效率的提高。而且功率器件IGBT的開(kāi)關(guān)損耗可能會(huì)產(chǎn)生很高的熱量,，引起過(guò)大的溫升,，對(duì)器件的可靠性影響很大。因此,，IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題一直是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn),，其中如何準(zhǔn)確估算IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。損耗計(jì)算對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì),、壽命預(yù)測(cè),、選擇合適的散熱系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的可靠性很重要^[3-6],。

    目前,，國(guó)內(nèi)外有關(guān)IGBT開(kāi)關(guān)損耗研究的文獻(xiàn)很多，這些文獻(xiàn)歸納總結(jié)可以看出：IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算方法主要分為基于物理方法的損耗計(jì)算法和基于數(shù)學(xué)方法的損耗計(jì)算法兩種,。本文對(duì)近年來(lái)各國(guó)學(xué)者們對(duì)IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算方法進(jìn)行討論,，并給出其相應(yīng)的應(yīng)用范圍。

1 開(kāi)關(guān)損耗定義

    IGBT模塊的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓,、電流波形及開(kāi)關(guān)損耗如圖1所示,。

    IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗由IGBT的開(kāi)關(guān)特性決定，與其集-射極間電壓V_ce及集電極電流I_c有關(guān),。損耗計(jì)算公式如下所示^[7]：

其中：P_on為開(kāi)通損耗,，P_off為關(guān)斷損耗，t_on為開(kāi)通時(shí)間,，t_off為關(guān)斷時(shí)間,，v_ce為集-射極間電壓，i_c為集電極電流,。

2 基于物理方法的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算

    基于物理方法的IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法是采用仿真軟件,，使用電源、電容,、電阻,、電感及晶閘管等一些相對(duì)簡(jiǎn)單的元件搭建器件物理模型來(lái)仿真IGBT模塊的動(dòng)態(tài)特性，得到IGBT模塊的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流,、電壓的波形,，從而計(jì)算開(kāi)關(guān)損耗。Hefner、Kraus,、Sheng等分別建立物理模型,，采用該方法詳細(xì)描述了損耗計(jì)算過(guò)程，并不斷改進(jìn),。該方法的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算流程圖如圖2所示,。

    這種計(jì)算方法的準(zhǔn)確程度主要取決于IGBT損耗模型的精確度和模型參數(shù)的準(zhǔn)確度，采用的物理模型越接近IGBT實(shí)際器件,，模型參數(shù)越接近實(shí)際大小,，仿真計(jì)算IGBT損耗值才能越接近實(shí)際損耗值。

    目前,，常用的用于IGBT模塊動(dòng)態(tài)仿真的軟件主要有三種：Saber,、Pspice、Matlab,。

    其中Saber提供的是包括Hefner模型在內(nèi)的5個(gè)通用模型和各種精確的具體型號(hào)器件的專用模型^[8-9],，Pspice中提供詳細(xì)的器件仿真模型^[10-11]，這些模型基于IGBT物理結(jié)構(gòu)包含了其重要的物理特征,，可以描述IGBT在各種外部電路條件下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,，具有很好的動(dòng)態(tài)精確性。但是這些模型中多種參數(shù)值的確定對(duì)仿真影響較大,，而且對(duì)一般的使用器件的用戶來(lái)說(shuō),，模型參數(shù)值的確定是比較復(fù)雜和困難的。而Matlab僅提供理想的器件模型,，模型通用性較好,，但其可設(shè)置IGBT參數(shù)較少，在開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程的精確描述方面存在很大欠缺^[9,，11],。

    Hefner首先提出了“非準(zhǔn)靜態(tài)近似理論”^[13-17]，傳統(tǒng)的“準(zhǔn)靜態(tài)近似理論”忽略了電子和空穴電流相互耦合會(huì)造成集電極電流的變化,，以及由于基區(qū)的快速變化造成有效輸出電容的數(shù)量級(jí)的改變，而這些對(duì)IGBT模塊物理模型相當(dāng)重要,，進(jìn)而會(huì)影響到IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗值,，因此準(zhǔn)靜態(tài)近似理論不再適用于對(duì)IGBT等具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的功率器件進(jìn)行瞬態(tài)分析。Hefner模型是第一個(gè)完整的一維分析,、電荷控制模型,，被廣泛應(yīng)用于電路仿真中，模型中包含了IGBT模塊的重要物理特征,，可以描述IGBT模塊在各種外電路條件下的穩(wěn)態(tài)特性,，采用非線性電容，也能很好地表現(xiàn)器件的動(dòng)態(tài)特性，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,，具有較準(zhǔn)確的結(jié)果,。一般可在Saber和Pspice軟件中實(shí)現(xiàn)。

    Kraus采用一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)逼近動(dòng)態(tài)過(guò)剩載流子濃度分布^[18-20],，更加貼近IGBT模塊內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng),，其影響IGBT模塊動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)波形。Kraus模型是將IGBT模塊看成MOSFET和BJT組成,，僅適用于NPT-IGBT的建模,。MOSFET部分采用電阻和電容來(lái)表達(dá)其特征，BJT部分采用一個(gè)二極管和三個(gè)電流源來(lái)描述,。Kraus模型簡(jiǎn)單易懂,，但內(nèi)部理論較為復(fù)雜，很難在一般仿真軟件中實(shí)現(xiàn),，主要用于Saber軟件的仿真中,。

    Sheng模型主要用于對(duì)D-IGBT的建模^[22]，采用二維載流子分布的方法描述IGBT靜態(tài)特性,，同時(shí)綜合考慮了其動(dòng)態(tài)特性和溫度對(duì)器件的影響,，其主要用于Pspice仿真軟件中。

    基于物理方法的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算優(yōu)點(diǎn)是物理模型精度高(精度取決于模型的不同簡(jiǎn)化程度和參數(shù)的準(zhǔn)確度),，針對(duì)器件的具體結(jié)構(gòu)和工藝建立的仿真模型精確表示了器件的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性,；缺點(diǎn)是物理模型的構(gòu)建非常困難，仿真速度慢,，而且模型參數(shù)的獲得也比較困難,。

3 基于數(shù)學(xué)方法的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算

3．1 基于數(shù)據(jù)手冊(cè)的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算

    文獻(xiàn)[23]提出一種基于數(shù)據(jù)手冊(cè)估算IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算方法，該方法最早是典型IGBT模型生產(chǎn)商在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的^[24],，數(shù)據(jù)手冊(cè)給出典型產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)能量曲線如圖3所示,，從中可以看出關(guān)斷能量為集電極電流的線性函數(shù)，開(kāi)通能量為集電極電流的二次函數(shù),。

    利用線性插值的方法可以得到關(guān)斷損耗：

    式中：user代表實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù),，data代表數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)。

    利用二次插值的方法可以得到開(kāi)通損耗：

    展開(kāi)可以求出A_on,，B_on,，C_on。

    基于數(shù)據(jù)手冊(cè)的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是直接使用數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù),，簡(jiǎn)單方便,，缺點(diǎn)是計(jì)算不精確。供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)是基于實(shí)驗(yàn)室條件下的數(shù)據(jù),，而在實(shí)際工況下運(yùn)行條件與供應(yīng)商的實(shí)驗(yàn)工況不一致,，其開(kāi)關(guān)能量曲線必然有一定差異，計(jì)算損耗也會(huì)不同。

3．2 基于數(shù)學(xué)模型的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算

    基于數(shù)學(xué)模型的IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法就是在對(duì)實(shí)際運(yùn)行條件下的大量的IGBT開(kāi)關(guān)損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行一定歸納分析的基礎(chǔ)上,，依據(jù)損耗隨各參數(shù)的變化趨勢(shì),，建立損耗與各個(gè)影響因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而建立器件開(kāi)關(guān)損耗數(shù)學(xué)模型,。

    用于開(kāi)關(guān)損耗建模的數(shù)學(xué)模型主要有多項(xiàng)式模型^[25,，28]，冪函數(shù)模型,，多項(xiàng)式和冪函數(shù)組合模型,，多維數(shù)據(jù)庫(kù)模型^[30-31]，人工智能模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,，迷糊邏輯模型）等,。

    冪函數(shù)模型是將開(kāi)關(guān)損耗表示成電流的冪函數(shù)的形式^[26]，當(dāng)考慮到不同的母線電壓和結(jié)溫對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響時(shí),，其表達(dá)式為：

    式中：P_SW.X為開(kāi)通損耗,，V_dc為實(shí)際母線電壓，V_b為母線電壓基值,，T_j為結(jié)溫,，T_b為基值結(jié)溫，A_SW.X,、B_SW.X,、C_SW.X、D_SW.X為常數(shù),，可經(jīng)過(guò)大量的擬合得到,。該公式同時(shí)適用于開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。

    冪函數(shù)模型的系數(shù)較少,，擬合速度快,，但擬合效果較差，在此基礎(chǔ)上又提出了多項(xiàng)式與冪函數(shù)模型相結(jié)合的建模方法^[27],，多項(xiàng)式可以提高擬合精度,，但系數(shù)的無(wú)限增多又會(huì)大大降低擬合速度，因此在建立多項(xiàng)式與冪函數(shù)模型時(shí)要注意二者的平衡,。

    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很好的函數(shù)逼近能力,，通過(guò)對(duì)樣本的訓(xùn)練，能夠很好地反映對(duì)象輸入輸出之間的映射關(guān)系,，同時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又具有高度的魯棒性,，因而能取得較好的建模效果^[33],。建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用的是誤差反傳網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱BP網(wǎng)絡(luò)),，確定開(kāi)關(guān)損耗模型采用的是三層網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，輸入層由幾個(gè)相關(guān)的變量組成如電壓,、電流,、結(jié)溫、門極電壓,、門極電阻等,，輸出層為開(kāi)通損耗或者關(guān)斷損耗。最后選取的具體訓(xùn)練參數(shù)越多,，訓(xùn)練次數(shù)越多,，誤差越小。

    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)大量非結(jié)構(gòu)性,、非精確性規(guī)律具有自適應(yīng)功能,，具有的信息記憶、知識(shí)推理和優(yōu)化計(jì)算的特點(diǎn),，大大方便了開(kāi)關(guān)損耗建模,，其不管器件的物理機(jī)理，只對(duì)其外特性進(jìn)行輸入輸出的智能學(xué)習(xí),，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT輸入輸出系統(tǒng)的模擬,，得到實(shí)況輸出的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程通常較慢,，對(duì)突發(fā)事件的適應(yīng)性差,。

    采用數(shù)學(xué)模型的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是規(guī)避器件的物理機(jī)理，構(gòu)造模型盡可能的簡(jiǎn)單和提高仿真速度,；缺點(diǎn)是基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,，準(zhǔn)備工作比較復(fù)雜。

3．3 基于波形擬合的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算

    基于波形擬合的IGBT開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法的基本思路是：分析IGBT模塊開(kāi)通,、關(guān)斷時(shí)物理機(jī)理及得到的電壓,、電流的波形，總結(jié)其開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程的主要特征,，建立相應(yīng)的簡(jiǎn)單函數(shù)表達(dá)開(kāi)通,、關(guān)斷的電壓、電流波形,，使該模型下獲得的開(kāi)通,、關(guān)斷時(shí)的電壓、電流的波形無(wú)限逼近開(kāi)關(guān)暫態(tài)實(shí)測(cè)波形,，然后通過(guò)電壓,、電流方程的積分獲得開(kāi)關(guān)損耗。

    如圖5,、圖6所示分別為IGBT開(kāi)通,、關(guān)斷時(shí)的電壓,、電流波形，采用將開(kāi)關(guān)過(guò)程分段,，每段分別使用簡(jiǎn)單函數(shù)逼近實(shí)測(cè)波形,。該方法可以將IGBT并聯(lián)二極管的損耗考慮在內(nèi)，現(xiàn)代IGBT采用的快速恢復(fù)二極管的開(kāi)通損耗與關(guān)斷損耗相比可以忽略不計(jì)（小于1%）^[38],。

    但是該方法的暫態(tài)波形表達(dá)式不夠完整,，而且其中可能將某些變量認(rèn)為恒定，因此獲得的曲線只能逼近實(shí)際波形曲線,，想要真正與試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)一致是不可能的,。

    文獻(xiàn)[42-43]完全忽略了開(kāi)關(guān)暫態(tài)電壓和電流的拖尾過(guò)程；文獻(xiàn)[44]考慮了拖尾過(guò)程,，但在擬合過(guò)程中,，將電流上升時(shí)問(wèn)、續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流,、反向恢復(fù)時(shí)間等重要參數(shù)都視為恒定值,，電壓源換流器實(shí)際工作過(guò)程中，工況是經(jīng)常變化的,，IGBT的開(kāi)關(guān)電流也是變化的,，且上述參數(shù)都是隨開(kāi)關(guān)電流的變化而變化的；文獻(xiàn)[45]未考慮線路雜散參數(shù)影響,，同時(shí)提出了大量需要由實(shí)測(cè)波形數(shù)計(jì)算得出的待定系數(shù),，將開(kāi)關(guān)電流與擬合參數(shù)的關(guān)系復(fù)雜化，降低了在高壓大功率場(chǎng)合下的實(shí)用性,；文獻(xiàn)[46]提出的模型擬合電壓波形與實(shí)驗(yàn)電壓波形基本一致,，尤其是關(guān)斷電壓上升階段和電壓過(guò)沖階段的準(zhǔn)確擬合，電壓過(guò)沖衰減過(guò)程的衰減趨勢(shì)也能較好地?cái)M合,，但模型未計(jì)入電路雜散電容及對(duì)地電容,，擬合波形沒(méi)有實(shí)驗(yàn)波形中的振蕩衰減現(xiàn)象。

    采用曲線擬合的IGBT開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)準(zhǔn)確,，且簡(jiǎn)單實(shí)用,，但是現(xiàn)有開(kāi)關(guān)損耗模型研究存在明顯的近似處理，對(duì)開(kāi)關(guān)暫態(tài)波形的描述不夠完整,。雖然這些擬合波形無(wú)法與實(shí)驗(yàn)波形達(dá)到絕對(duì)一致,，但擬合方法也在不斷改進(jìn)，近似度不斷提高,，因此基于曲線擬合的IGBT開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算是絕對(duì)可行的,。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

    通過(guò)對(duì)IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗的各種計(jì)算方法進(jìn)行分類和分析，可大致了解其各自的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示,?；谖锢矸椒ㄓ?jì)算開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法需要建立IGBT的等效物理模型,，參數(shù)提取也比較復(fù)雜，但目前許多仿真軟件已經(jīng)建立了一些器件的物理模型,，大大方便了人們的應(yīng)用?；跀?shù)學(xué)方法的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法大都是以數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，規(guī)避器件的復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)分析，由于廠商提供器件資料的測(cè)試環(huán)境的確定性導(dǎo)致基于數(shù)據(jù)手冊(cè)的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法無(wú)法獲得工況下器件的精確開(kāi)關(guān)損耗值,，但計(jì)算方法簡(jiǎn)單易懂,，具有通用性；基于數(shù)學(xué)模型和波形擬合的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法都以實(shí)測(cè)的開(kāi)關(guān)波形和開(kāi)關(guān)損耗值為基礎(chǔ),，準(zhǔn)備工作復(fù)雜,，但模型建立后獲取開(kāi)關(guān)損耗值比較簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快,，而且精度較高,。

    現(xiàn)有的IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法在其精確度和通用性上存在一定的局限性，這是由于器件的多樣性,、工況的復(fù)雜性等造成的,。IGBT模塊是開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)關(guān)頻率影響IGBT模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程,，因此接下來(lái)可以在開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法中引入開(kāi)關(guān)頻率對(duì)其影響,，使損耗模型更加精確。其次在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損耗模型成功的基礎(chǔ)上,，可以采用其他人工智能模型對(duì)IGBT模塊開(kāi)關(guān)損耗建模,，獲得更精確的開(kāi)關(guān)損耗值。

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