电力电子系统的虚拟优化是提高现代技术性能和效率的关键。这一过程的核心是开发精确的半导体模型,这对于模拟电力电子转换器的开关行为、电流共享和过电压特性是必不可少的。本文概述了一种利用静态和动态描述技术和参数拟合来建立半导体模型的新方法,该方法有助于创建高精度的模型。

　　导言

　　电力电子产品几乎存在于现代生活的方方面面,从消费电子产品到可再生能源整合和运输。这些系统的性能在很大程度上取决于其半导体的功率能力,而半导体的功率能力在确定设备的电气特性、热管理、控制复杂性和总体效率方面发挥着关键作用。

　　虚拟设计方法的兴起为优化电源模块和完整的转换系统开辟了新的可能性,使工程师能够在致力于物理原型之前探索设计的变化。

　　电力模块的虚拟设计和优化取决于半导体模型的精度.这些模型必须考虑到各种因素,例如平行半导体模具之间的动态和静态电流共享以及不同操作点的过电压条件。

　　优化的电源模块的开发需要大量的设计迭代和原型测试,将开发过程扩展到一个相当长的时期。虽然模拟已经在开发中发挥了重要作用,但是没有现有的工作流在半导体模具特性和电源模块建模之间提供无缝集成,限制了充分优化电力电子系统的潜力。

　　当前虚拟设计工作流程和挑战概述

　　提出了优化电力电子系统的几种虚拟设计工作流,所有这些工作流都严重依赖于瞬态电气模拟来精确建模半导体开关行为。这些模拟提供了关键的见解,如在半导体模具之间的电流分布和设备损耗,使电力模块和整个转换器的电气和热优化。

　　然而,实现这种模拟需要高度精确的半导体器件模型。一些供应商提供了这些模型,但它们的准确性必须为每个新的设计、操作点和系统配置进行验证。半导体器件就其性质而言是复杂的,无法在不牺牲准确性的情况下用简化的模型充分表示。3d物理模型提供了最高的保真度,但对常规设计优化来说,它们过于计算化。

　　因此,简化设备内部结构的紧凑行为模型已成为标准.尽管像 英菲良科技 提供紧凑的模型,它们的准确性仅限于某些操作点,由于加密,用户无法根据具体需要修改这些模型。

　　为了应对这些挑战,与模拟工具供应商合作,例如 视键技术 改进了模型精确度的工具和方法。在他们的书房里 1 ,作者展示了从两个不同的供应商提取和验证IGBT和二极管模型(图1),使用了凯恩斯视觉的工具,而事先不知道设备的内部结构。

图1

　　提取工作流程

　　提取 IGbt 而二极管模型则需要设备数据表中通常不具备的详细数据。对于IGBT,关键参数包括传输特性、集合-发射电压依赖的输入/输出电容和反向传输电容。对于二极管,输出特性和电压依赖电容都必须进行表征。此外,温度依赖是这些模型中的一个关键因素,需要在不同温度下进行测量。

　　本文中描述的工作流依赖于电源设备分析仪的使用( 键视B1505A )收集所需的资料,然后输入 关键瞄准器的IC帽子 参数拟合软件.采用静态和动态两种测量方法,采用双脉冲测试来捕捉二极管的瞬态行为,如反向恢复和IGBT的开关特性。

　　图2展示了测量数据(虚线)和建模数据(实线)在不同操作点之间的良好匹配,包括输出特性、电压依赖电容和不同IGBT模型的开关暂态。

图2

　　评价标准

　　在半导体建模中,模型的准确性通常是通过预测开关损失的能力来判断的。然而,仅仅关注设备的损耗就会掩盖设备行为的其他重要方面,如过电压条件、电流共享和寄生元素的影响。

　　书房 1 提出了13个不同的评价标准来评价IGBT和二极管的瞬态模拟精度.这些标准涵盖了IGBT中开关和关闭事件的关键参数,以及二极管中的反向恢复行为。

　　一些关键标准包括:

　　开关和关闭时的DI/DT错误:它测量IGBT中的电流变化率,直接影响损耗和系统可靠性

　　峰值收集器电流误差:它评估了模型预测开关事件中峰值电流的准确性,这是受二极管反向恢复特性影响的一个参数。

　　电压平台误差:它评估了在转换过程中模拟电压上升的准确性,这对理解过电压行为至关重要

　　结果和错误调查

　　为了衡量拟议模型的准确性,在三个IGBT模型中评估了192个操作点。结果表明,该模型具有良好的准确性,高功率操作点的开关误差一般在7%以内,低功率区域在25%以内。DI/DT误差从低电压的-8%到高电压的+18%不等,反映了在极端情况下精确建模瞬态行为的固有挑战。

　　为了可视化的误差数据,本文介绍了几种方法,包括绘制错误分布图和使用直方图来显示在特定范围中的错误频率。这些可视化显示,为了设计的目的,大多数操作点都在可接受的误差范围内,尽管某些领域需要改进,如反向恢复行为和动态开关特性。

　　结论和展望

　　这项工作 1 这是半导体建模的一个进步,有助于开发更精确、更灵活的模型,可用于电力电子系统的虚拟设计。通过将静态和动态测量结合起来,工程师可以生成能够详细比较不同功率模块设计和工作条件的模型。

　　虽然现有的模型显示了良好的准确性,但进一步的改进是完成系统优化所必需的。尤其是,需要改进开关损失建模、动态行为和门驱动程序配置的虚拟调整。

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