（电力电子与电力传动专业论文）基于优化算法的igbt模型参数辨识及其有效性验证.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r e d s i o no fs i m u l a t i o nf o rp o w e re l e c t r o n i cs y s t e md e p e n do i lt h ea c c u r a c y a n dv a l i d a t i o no f d e v i c e sa n di t sm o d e lp a r a m e t e r s s ot h em o d e l i n ga n di t sp a r a m e t e r e x t r a c t i o no f p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sw a sa l w a y so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o n s t h i sp a p e ri m p r o v e dt h ep a r a m e t e re x t r a c t i o ns y s t e mf o rt h ep o w e re l e c t r o n i c d e v i c e b yt h es i m e n sb u p 3 0 2n p t i g b t f o re x a m p l e , w ee x t r a c ta n dv a l i d a t e d i t sm o d e lp a r a m e t e r s ，w h i c ha r en o to n l yf u l l yd e s c r i b ed e v i c e s p h y s i c a lc h a r a c t e r s ， b u tp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t o nt h eb a s i so fs y n t h e t i ca n a l y s i so fi g b tm o d e l ，h e f i a e rm o d e lw a sc h o s e nt o e x t r a c tp a r a m e t e rb e c a u s eo fc o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c t i n gi n t e r n a lm e c h a n i s m a n d t h e np u tf o r w a r dt w om a i ns t e p so fm o d e lp a r a m e t e re x t r a c t i o n ：i n i t i a lp a r a m e t e r e x t r a c t i o na n do p t i m i z a t i o np r o c e d i l r e t h ep r o c e s so fo p t i m i a z a t i o nn e e d sa c t u a l w a v e f o r m , s ot h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sd e s i g n e d ； g a s aw a sa p p l i e dt of u l f i l lp a r a m e t e re x t r a c t i o na c c o r d i n gt oc o m p a r e8 0 m e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ；a f t e rt h a tav a l i d a t i o nw a st o o kf o rt h e s en e we x t r a c t e d r e s u l t si nal a r g er a g eo fv o l t a g ea n dc u r r e n tb e t w e e n e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n , a n d i tw a sp r o v c dv a l u a b l e k e y w o r d s ：i g b t ；p a r a m e t e re x t r a c t i o n ；o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ； 、射i d a l i o n v l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蓝盈函e t 期：2 癣：主，金 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期： 丝! ) ：羔! 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 电力电子参数辨识简述 第一章绪论 电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变， 并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内，用电总量中经过电力电 子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标【ij 。 然而，随着现代电力电子技术的发展，其系统复杂性与应用广泛性之间的矛 盾越来越尖锐。为解决综合设计中凸现的问题，设计者们大胆提出了一种实验性 方案，无原型( p r o t o t y p e - l e s sd e s i g n ) 设计应运而生l “。 因此，电力电子系统仿真便成为关键。仿真可以加深工程师对系统工作原理 的理解，加速电路的设计和理论的完善，它能帮助生产企业提高自身开发的水平， 改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期。 仿真必然要求结果准确，接近实际特性。仿真精确程度及范围依赖于各器件 模型的精确性及有效性，而电力电子半导体器件模型的有效性不仅依赖于模型数 学方程式，更依赖于模型参数的选取。所以电力电子器件建模及模型参数辨识始 终是电力电子技术的重要研究方向之一。通过对这些参数的辨识提取，将有助于 更为精确的表述器件的物理特性。 回顾过去的十几年，电力电子系统的迅猛发展得益于电力电子半导体技术的 革命性的巨大进止i “。其中i g b t ( i n s u l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 绝缘栅双极晶 体管在众多器件中扮演了重要角色，现已成为功率半导体器件的主流，无可替代 的垄断着大约1 0 1 0 0 k h z 的中高压中大电流的范围。其特点是栅极为电压驱动， 驱动电路简单，所需驱动功率小、开关损耗小、工作频率高、承受电压高，载流 密度大、通态压降小、热稳定性好、没有二次击穿、安全工作区大、不需缓冲电 路，适用于较高频率的场合。i g b t 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态 上海大学硕士学位论文 都可以承受电流冲击，是电力电子领域非常理想的开关器件【4 1 。 1 1 2 研究现状 国际上在这一领域里的研究已比较深入。许多研究机构已对目前主流的电力 电子器件的动态特性进行了研究，给出了精确的物理模型，并把这些模型引入仿 真软件中。这种基于器件物理模型的仿真，与器件的内部物理机制相联系，保证 了器件仿真的精度。但许多科研组织只是提出了器件模型，对器件的模型参数辨 识没有引起足够的重视。它们大多只给出了器件在一定工作条件下的仿真效果， 而没有验证在大范围的工作条件下仿真功率器件的工作特性是否有效。 近年来，南加州大学、剑桥等的专家开始着手基于电力电子器件的参数辨识、 优化及验证，逐步完成了功率二极管、 g b t 等的工作。由于模型、参数的选择， 以及优化方法的不同，其结果的准确性有效性亦稍有差别 2 7 】 2 8 】 5 2 1 。 而国内相关研究比较薄弱、滞后，大多是直接应用一些电力电子专用或通用 仿真软件进行模型参数的工作特性验证，且多数只考虑稳态过程，涉及到器件的 动态过程参数和器件的微观物理模型的不多。浙江大学、西安交通大学、西安电 力电子研究所、哈尔滨工业大学、西安理工大学、株洲电力机车研究所等科研机 构从8 0 年代后期开始进行这方面的研究，但是大多数是基于等值电路模型进行 数学推导。到目前为止，国内还没有出现基于大功率器件的数学一物理模型自主 创立的参数辨识方法和电力电子器件专用仿真软件p j 。 1 2 本课题概况 1 2 1 课题来源 本课题来源于台达科教与环境基金项目，属上海市科委国际合作项目“电力 电子器件参数辨识及仿真系统研究”，与法国里昂国家电气实验中心合作。法国 里昂电气实验中心已在本领域做了深入的研究，并取得开创性成果。他们以电力 电子器件的数理模型为基础，将这种建模方法应用于电力电子器件的仿真中，开 2 上海大学硕士学位论文 发了基于棒图( b o n dg r a p h ) 理论t 6 】的p a o t e 仿真软件。此项目便采用了p a c t e 仿真软件。 启动至今课题组已完成p i n 功率二极管、m o s f e t 和部分i g b t 的参数辨识 及有效性验证工作。本文根据p a c t e 软件中i g b t 的h e f n c r 模型，研究基于优 化算法的参数辨识及有效性验证，是对前期工作的改进、发展和总结。 1 2 2 课题介绍 附录a 中列出了i g b t 重要参数的定义、符号及其单位。它们决定了器件如 何工作。但绝大多数诸如m o s f e t 栅漏覆盖面积a g # ( c m 2 ) ，基区宽度( ，期) ， m o s f e t 栅漏氧化电容c 0 ( h f ) ，缓冲区( 基区) 掺杂浓度n b ( c m - 3 ) ，线性区 m o s f e t 跨导系数足幽o ( a v 2 ) ，发射极饱和电流l ，( 爿) 等，不可能通过直接测 量得到，只能采用间接的方法，即通过器件的外特性来辨识。 i g b t i g b t 参数： a g d ，w b ，c “d ， n b ，k p l i n ，v t h ， t h e m ，i n s e 等。 图1 - 1b l a c k b o x 器件的模型参数值决定了器件的工作特性图，在给定条件下，模型参数的变 化，必然引起器件的外特性的变化。如图1 - 1b l a c kb o x 所示，把i g b t 看作一 个黑匣子，赋予激励并测量输出信号，通过i g b t 的外特性来辨识它的内部模型 参数。也就是说，辨识的基本思想在于正确处理i g b t 的外特性，通过输入输出 之问及输出之间的关系，拟合i g b t 模型参数。 根据以上基本思想，实现基于优化算法的i g b t 参数辨识方法可归纳为鼹个 独立的步骤： 一、初始参数获取。初始参数也就是优化算法的初值，一般基于器件的 上海大学硕士学位论文 d a t a s h e e t 及公式推导得出。 二、优化过程。通过优化算法不断改变i g b t 的模型参数，使仿真结果逼 近实验结果。 为保证辨识得出的参数在大工作范围内有效，并给出其仿真精度，我们还需 对辨识结果进行有效性验证。 1 3 主要研究内容及论文结构 本论文主要论述了基于优化算法的i g b t 模型参数辨识，本文共分六章。 第一章绪论。主要介绍了电力电子器件参数辨识研究意义、现状，课题概述 以及本论文的主要工作。 第二章阐述了i g b t 数理仿真模型。既然辨识的思想就是用仿真波形拟合实 验实测波形，那么保证仿真精度便是辨识成功的必要条件。本文从i g b t 结构及 现有模型分类综述引出实际应用的h e f r i e r 数理模型，并列出了课题辨识的主要 i g b t 参数。 第三章讨论i g b t 参数辨识两步法中第一步如何具体实现即获得初始参 数需通过d a t a s h e e t 及公式推导。另外介绍了辨识系统比较的两个方面的基础： 仿真p a c t e 软件与波形自动采集系统。 第四章为第二步优化算法的应用及改进。在实验软、硬件环境等具体条件固 定的条件下，优化算法的有效性、收敛性、稳定性及鲁棒性严重影响着参数辨识 的精度。文中还给出了优化前后i g b t 模型参数仿真波形与实测波形的对比图。 第五、六章给出了i g b t 模型参数辨识有效性验证结果，并对全文内容作了 总结。 4 上海大学硕士学位论文 第二章i g b t 的数理仿真模型 2 1i g b t 的结构与工作原理 2 ，1 1 基本结构 i g b t 绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t eg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 是m o s 与b j t 的复 合型功率器件，即具有m o s 输入、双极输出功能。因此既有m o s f e t 的输入阻 抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管 b j t 的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。所以i g b t 功率器件 的三大特点就是高压、大电流、高速u j 。这是其它功率器件不能比拟的，它是电 力电子领域非常理想的开关器件。 基于上述显著优点，i g b t 迅速成为电力半导体器件的主流器件和发展方向， 也使电能变换与控制技术发生了质的变化，并且使电力电子技术迅速从低频迈入 了高频阶段。与此同时，世界各大公司一直投入巨资发展i g b t ，追求i g b t 的 高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本等指标，n p t - i g b t 的出 现是解决上述问题的最佳途径p j 。 i g b t 按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于p + 发射区和n 一漂移区之间的n + 层。无缓冲区n + 者称为对称型i g b t ，也称非穿通型i g b t ( n p t - i g b t ) ；有n + 缓冲区者称为非对称型i g b t ，也称穿通型i g b t ( p t - i g b t ) 。 显然，由于n p t - i g b t 中远比p t - i g b t 中厚得多的高阻n 一区必然带来更高 的饱和压降和更长的开关时间，所以大多数公司开始都是p t 型i g b t 。然而上 述结构在向高压发展时遇到了巨大障碍。它的工作层( 指p + 衬底以上的部分) 是外 延法生长的【9 】。 1 0 1 ，其所需厚度随耐压的提高而迅速增加。耐压1 2 0 0 v 、2 0 0 0 v 的 p t - i g b t 所需外延层厚分别在1 0 0 i _ t m 、2 0 0 1 x m 以上，厚层高阻外延所需技术相当 复杂，成本非常高，使得高压p t - i g b t 的生产成本随耐压提高而急剧上升，这 成为困扰p t - i g b t 发展的严重问题。 上海大学硕士学位论文 9 0 年代以后发展的n p t - i g b t 与传统的p t - i g b t 比较：电压高、速度快、 损耗低、温度特性好、热阻小，载流子寿命较长，且参数可以被更精确的控制。 ( 1 ) 正向导通电压具有正温度系数( 并联时自动地静态均流) ； ( 2 ) 关断时的拖尾电流较低，但部分情况下可能时间较长，在t j = 1 2 5 c 时关 断损耗较低，( 在硬关断时) 开关时间较短以及开关损耗较低； ( 3 ) 开关时间与开关损耗( 正= 1 2 5 。c ) 以f f t 拖尾电流对温度的依赖性明显较 低； ( 4 ) 在过载时对电流的限制作用较好，因而具有较高的过载能力。 本课题选用的器件s i m e n sb u p 3 0 2 ，n p t - i g b t 型。其结构剖面图、等效电 路图、n 沟道i g b t 通用电气符号如下图所示。对于p 沟道i g b t ，其图形符号 中的箭头方向恰好相反。 i g o _ 一 p n p 的集电区 p n p 的基区 p n p 的发射区 图2 - 1n p t - i g b t 结构剖面图 ( 栅极) g 。_ j g 集电极 发射极 a 图2 - 2n p t - i g b t 等效电路图 图2 - 3n i g b t 通用电气符号 6 上海大学硕士学位论文 2 1 2 工作原理 从该等效电路可以清楚地看出，i g b t 是用晶体管和m o s f e t 组成的达林顿 结构的复合器件。简单来说，i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区p n p 晶体管，如图2 所示，r 。为p n p 晶体管基区内的调制电阻。晶体管为p n p 型， m o s f e t 为n 沟道场效成晶体管，因此这种结构的i g b t 称为n 沟道1 g b l ，其 符号为n i g b t 。类似的还分别p 沟道i g b t ，即p i g b t 。 i g b t 工作时，集电极c 端接正，发射极e 端接负。它的开通和关断由栅射 电压和集射电压决定。 ( 1 ) 当 0 时： ，以结仍呈反向偏置状态，起阻断电流作用。只要集射电 压矿矗小于击穿电压，便只有很小的漏电流k 通过主端子，i g b t 处 于阻断状态。 当栅射电压为正且大与开启电压。) 时，m o s f e t 内形成沟 道，并为p n p 晶体管提供基极电流，进而使i g b t 导通。此时，从p + 区注入n 一的空穴( 少数载流子) 对n 一区进行电导调制，减小n 一区的 电阻如，使高耐压的i g b t 也具有很小的通态压降。在这种工作条 件下，随着的升高，向n 区提供电子的导电沟道加宽，集电极电 流将增大，i g b t 将进入线性工作区域直到进入饱和区域。 当栅射极间不加信号或加反向电压时，m o s f e t 内的沟通消失，p n p 晶体管的基极电流被切断，i g b t 即关断。 7 上海大学硕士学位论文 2 1 3 特性与参数 一、i g b t 的静态特性 i g b t 的静态特性包括转移特性和输出特性。 ( 1 ) 转移特性：i g b t 的静态转移特性描述集电极电流乙与栅射电压之间 的相互关系，如图2 4 ( a ) 。开启电压p 品( 硼是i g b t 能实现电导调制而导通的最 低栅射电压。硎随温度升高而略有下降，温度每升高i c ，其值下降5 m v 左 右。在+ 2 5 时，p 矗删的值一般为2 6 v t l l 】- 【1 2 1 。 ( 2 ) 输出特性：描述如图2 4 ( b ) 所示，以栅射电压为控制变量时，集电 极电流l 与集射极电压p 矗之间的相互关系。此特性与双极型晶体管的输出特性 相似，但因为i g b t 是电压控制器件，所以其控制变量是栅射电压y 矗而不是基 极电流。 不论是i g b t 的转移特性还是输出特性，同样都包含了器件的许多信息。只 是因表述方式不同，而形成了对器件特性强调的侧重点不同。同转移特性相比， 输出特性中随着p 矗的增大，特性曲线有着显著的变化，更易于仿真结果与试验 结果相比较，也易于研究人员观察、表示。因此在本课题的研究中，我们采用静 态输出特性波形对i g b t 进行静态参数辨识。 上海大学硕士学位论文 u g e ( a ) 转移特性( b ) 输出特性 图2 - 4i g b t 的转移特性和输出特性 相应于i g b t 的静态( 稳态) 与动态( 暂态) 特性，根据对静、动态特性的影响， 模型参数也可分为静态参数和动态参数。n p t - i g b t 的静态参数如表2 1 所示。 表2 - 1i g b t 模型静态参数 物理意义符号单位 i g b t 的有效面积爿c m 2 线性区m o s f e t 跨导系数 k i r o a i 1 7 。 发射极饱和电流 i 。 彳 缓冲区( 基区) 掺杂浓度 n b c m - 3 计算m o s f e t 横截面范围时允许校正系数t e t a l 矿 m o s f e t 栅一漏重叠耗尽电压阀值 矿 基区宽度 t u n 漂移区高阶载流子寿命 勋“月za s 二、 i g b t 动态特性 i g b t 的动态特性也称作开关特性。包括开通和关断两个部分，如下图2 5 所示。 9 上海大学硕士学位论文 t v c e v r i 。v 卿 i j ： ：d v c e l d t 肌8 影 l i 卜 ! o 1 1 ：工2 ：t 3 t 4 t 6：t 6t 7 图2 - 5i g b t 的动态特性图 上图中表征i g b t 波形特征值的符号其说明见下表。 1 0 上海大学硕士学位论文 表2 - 2i g b t 波形特征值说明 开通关断 符号说明符号说明 t dm 开通时间 一。一矿 关断时米勒电压 一 。 开通后栅源极电压 l “晤 关断时刻到米勒电压的时闻 一 i c 开通后漏极电流 一够 关断前漏源极通态电压 一 m c r 。 开通时米勒电压 t 埘 漏源极电压下降时间 开通时刻到出现米勒电 k 腑，。 漏源极最大电压 压的时闯 。 开通前的漏源极电压 t v c s 开通到出现最大电压的时间 一 一 0 一。 栅源极电压下降时间 q 一谚 关断栅极电荷 线。 开通栅极电荷 i c 脚 关断前漏极通态电流 一 关断时漏源极电压变化 d d t 一万 关断前栅源极通态电压 塞 d l c d r 关断时漏极电流变化率 0 一够 漏极电流下降时间 ( 1 ) i g b t 的开通：是从正向阻断状态转换到正向导通过程。 当t q u ( 7 ) m o s f e t 沟道电流： i 。= 0 ，正将随着正在一定 频率下导通一关断。 图3 - 5 为动态主测试电路，为恒压源提供的电压，l 为接线电感。在动态 测试中，为得到更精确的辨识结果，必须在不同的工作条件下重复i g b t 的开关 过程，即重现其瞬态过程。所谓不同的工作条件，p c 机通过主程序软件，控制 g p i b 卡，给定输出电压源的步长变换，继而由示波器一g p i b 一计算机采集处理 这些开通关断波形。 上海大学硕士学位论文 图3 - 5i g b t 动态测试主电路原理 ( 2 ) 驱动电路 i g b t 工作时对驱动电路和供电