電力電子系統(tǒng)的虛擬優(yōu)化是提高現(xiàn)代技術(shù)性能和效率的關(guān)鍵。這一過程的核心是開發(fā)精確的半導(dǎo)體模型,這對于模擬電力電子轉(zhuǎn)換器的開關(guān)行為、電流共享和過電壓特性是必不可少的。本文概述了一種利用靜態(tài)和動態(tài)描述技術(shù)和參數(shù)擬合來建立半導(dǎo)體模型的新方法,該方法有助于創(chuàng)建高精度的模型。

　　導(dǎo)言

　　電力電子產(chǎn)品幾乎存在于現(xiàn)代生活的方方面面,從消費電子產(chǎn)品到可再生能源整合和運輸。這些系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其半導(dǎo)體的功率能力,而半導(dǎo)體的功率能力在確定設(shè)備的電氣特性、熱管理、控制復(fù)雜性和總體效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　虛擬設(shè)計方法的興起為優(yōu)化電源模塊和完整的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開辟了新的可能性,使工程師能夠在致力于物理原型之前探索設(shè)計的變化。

　　電力模塊的虛擬設(shè)計和優(yōu)化取決于半導(dǎo)體模型的精度.這些模型必須考慮到各種因素,例如平行半導(dǎo)體模具之間的動態(tài)和靜態(tài)電流共享以及不同操作點的過電壓條件。

　　優(yōu)化的電源模塊的開發(fā)需要大量的設(shè)計迭代和原型測試,將開發(fā)過程擴展到一個相當長的時期。雖然模擬已經(jīng)在開發(fā)中發(fā)揮了重要作用,但是沒有現(xiàn)有的工作流在半導(dǎo)體模具特性和電源模塊建模之間提供無縫集成,限制了充分優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的潛力。

　　當前虛擬設(shè)計工作流程和挑戰(zhàn)概述

　　提出了優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的幾種虛擬設(shè)計工作流,所有這些工作流都嚴重依賴于瞬態(tài)電氣模擬來精確建模半導(dǎo)體開關(guān)行為。這些模擬提供了關(guān)鍵的見解,如在半導(dǎo)體模具之間的電流分布和設(shè)備損耗,使電力模塊和整個轉(zhuǎn)換器的電氣和熱優(yōu)化。

　　然而,實現(xiàn)這種模擬需要高度精確的半導(dǎo)體器件模型。一些供應(yīng)商提供了這些模型,但它們的準確性必須為每個新的設(shè)計、操作點和系統(tǒng)配置進行驗證。半導(dǎo)體器件就其性質(zhì)而言是復(fù)雜的,無法在不犧牲準確性的情況下用簡化的模型充分表示。3d物理模型提供了最高的保真度,但對常規(guī)設(shè)計優(yōu)化來說,它們過于計算化。

　　因此,簡化設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊湊行為模型已成為標準.盡管像 英菲良科技 提供緊湊的模型,它們的準確性僅限于某些操作點,由于加密,用戶無法根據(jù)具體需要修改這些模型。

　　為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),與模擬工具供應(yīng)商合作,例如 視鍵技術(shù) 改進了模型精確度的工具和方法。在他們的書房里 1 ,作者展示了從兩個不同的供應(yīng)商提取和驗證IGBT和二極管模型(圖1),使用了凱恩斯視覺的工具,而事先不知道設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1

　　提取工作流程

　　提取 IGbt 而二極管模型則需要設(shè)備數(shù)據(jù)表中通常不具備的詳細數(shù)據(jù)。對于IGBT,關(guān)鍵參數(shù)包括傳輸特性、集合-發(fā)射電壓依賴的輸入/輸出電容和反向傳輸電容。對于二極管,輸出特性和電壓依賴電容都必須進行表征。此外,溫度依賴是這些模型中的一個關(guān)鍵因素,需要在不同溫度下進行測量。

　　本文中描述的工作流依賴于電源設(shè)備分析儀的使用( 鍵視B1505A )收集所需的資料,然后輸入 關(guān)鍵瞄準器的IC帽子 參數(shù)擬合軟件.采用靜態(tài)和動態(tài)兩種測量方法,采用雙脈沖測試來捕捉二極管的瞬態(tài)行為,如反向恢復(fù)和IGBT的開關(guān)特性。

　　圖2展示了測量數(shù)據(jù)(虛線)和建模數(shù)據(jù)(實線)在不同操作點之間的良好匹配,包括輸出特性、電壓依賴電容和不同IGBT模型的開關(guān)暫態(tài)。

圖2

　　評價標準

　　在半導(dǎo)體建模中,模型的準確性通常是通過預(yù)測開關(guān)損失的能力來判斷的。然而,僅僅關(guān)注設(shè)備的損耗就會掩蓋設(shè)備行為的其他重要方面,如過電壓條件、電流共享和寄生元素的影響。

　　書房 1 提出了13個不同的評價標準來評價IGBT和二極管的瞬態(tài)模擬精度.這些標準涵蓋了IGBT中開關(guān)和關(guān)閉事件的關(guān)鍵參數(shù),以及二極管中的反向恢復(fù)行為。

　　一些關(guān)鍵標準包括:

　　開關(guān)和關(guān)閉時的DI/DT錯誤:它測量IGBT中的電流變化率,直接影響損耗和系統(tǒng)可靠性

　　峰值收集器電流誤差:它評估了模型預(yù)測開關(guān)事件中峰值電流的準確性,這是受二極管反向恢復(fù)特性影響的一個參數(shù)。

　　電壓平臺誤差:它評估了在轉(zhuǎn)換過程中模擬電壓上升的準確性,這對理解過電壓行為至關(guān)重要

　　結(jié)果和錯誤調(diào)查

　　為了衡量擬議模型的準確性,在三個IGBT模型中評估了192個操作點。結(jié)果表明,該模型具有良好的準確性,高功率操作點的開關(guān)誤差一般在7%以內(nèi),低功率區(qū)域在25%以內(nèi)。DI/DT誤差從低電壓的-8%到高電壓的+18%不等,反映了在極端情況下精確建模瞬態(tài)行為的固有挑戰(zhàn)。

　　為了可視化的誤差數(shù)據(jù),本文介紹了幾種方法,包括繪制錯誤分布圖和使用直方圖來顯示在特定范圍中的錯誤頻率。這些可視化顯示,為了設(shè)計的目的,大多數(shù)操作點都在可接受的誤差范圍內(nèi),盡管某些領(lǐng)域需要改進,如反向恢復(fù)行為和動態(tài)開關(guān)特性。

　　結(jié)論和展望

　　這項工作 1 這是半導(dǎo)體建模的一個進步,有助于開發(fā)更精確、更靈活的模型,可用于電力電子系統(tǒng)的虛擬設(shè)計。通過將靜態(tài)和動態(tài)測量結(jié)合起來,工程師可以生成能夠詳細比較不同功率模塊設(shè)計和工作條件的模型。

　　雖然現(xiàn)有的模型顯示了良好的準確性,但進一步的改進是完成系統(tǒng)優(yōu)化所必需的。尤其是,需要改進開關(guān)損失建模、動態(tài)行為和門驅(qū)動程序配置的虛擬調(diào)整。

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