電力電子系統的虛擬優化是提高現代技術性能和效率的關鍵。這一過程的核心是開發精確的半導體模型,這對于模擬電力電子轉換器的開關行為、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和動態描述技術和參數擬合來建立半導體模型的新方法,該方法有助于創建高精度的模型。

　　導言

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

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

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

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

　　當前虛擬設計工作流程和挑戰概述

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

　　然而,實現這種模擬需要高度精確的半導體器件模型。一些供應商提供了這些模型,但它們的準確性必須為每個新的設計、操作點和系統配置進行驗證。半導體器件就其性質而言是復雜的,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,但對常規設計優化來說,它們過于計算化。

　　因此,簡化設備內部結構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,用戶無法根據具體需要修改這些模型。

　　為了應對這些挑戰,與模擬工具供應商合作,例如 視鍵技術 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,而事先不知道設備的內部結構。

圖1

　　提取工作流程

　　提取 IGbt 而二極管模型則需要設備數據表中通常不具備的詳細數據。對于IGBT,關鍵參數包括傳輸特性、集合-發射電壓依賴的輸入/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備分析儀的使用( 鍵視B1505A )收集所需的資料,然后輸入 關鍵瞄準器的IC帽子 參數擬合軟件.采用靜態和動態兩種測量方法,采用雙脈沖測試來捕捉二極管的瞬態行為,如反向恢復和IGBT的開關特性。

　　圖2展示了測量數據(虛線)和建模數據(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模型的開關暫態。

圖2

　　評價標準

　　在半導體建模中,模型的準確性通常是通過預測開關損失的能力來判斷的。然而,僅僅關注設備的損耗就會掩蓋設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和二極管的瞬態模擬精度.這些標準涵蓋了IGBT中開關和關閉事件的關鍵參數,以及二極管中的反向恢復行為。

　　一些關鍵標準包括:

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

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

　　電壓平臺誤差:它評估了在轉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重要

　　結果和錯誤調查

　　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。結果表明,該模型具有良好的準確性,高功率操作點的開關誤差一般在7%以內,低功率區域在25%以內。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行為的固有挑戰。

　　為了可視化的誤差數據,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,為了設計的目的,大多數操作點都在可接受的誤差范圍內,盡管某些領域需要改進,如反向恢復行為和動態開關特性。

　　結論和展望

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

　　雖然現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優化所必需的。尤其是,需要改進開關損失建模、動態行為和門驅動程序配置的虛擬調整。

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