（电力电子与电力传动专业论文）电力电子器件开关损耗测试与建模系统的研制、优化与验证.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b 吐m c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m ep o w e rl o s s e sd i s s i p a t i o na n d o p e r a t i n gt e m p e m t u r e so ft h ep o w e r d e v i c e sa r em o r ea n dm o r ei m p o r t a l l ti nt 1 ep o w e re l e c t r o l l i c sf i e l d ，a n dh a v em o r e i n s t n l c 畦o ne 圩b c t so nt h ep r a c t i c a iu s e t h ep o w e rl o s s e so ft 1 1 ed e v i c e sa r er e l a t e dt o s e v e r a lp 猢e t e r s ，s u c ha sd e v i c ec u e n t ，b r e a k i n gv o n a g e ，g a t ed r i v ev o l t a g e ，g a t e d r i v er e s i s t a i l c ea i l do p e r a t i n gt e m p e r a t u r e i nt l l i st h e s i s ，at e s ta i l dm o d e l i n gs y s t e m f o r t h ep o w e rd e v i c e ss 讯t c l l i n gc h a r a c t e r i z a t i o nh a sb e e nb u i l tu p ，o p t i m i z e d ，a 1 1 d v a l i d a t e d t h cs y s t c mc a i lm e a s u r ca 1 1 ds a v et h ev o l t a g ew a v e f b n n sa n dc u 玎e n t w a v e f o 珊sa u t o m a t i c a l l y ，s od o e st 1 1 em o d e l i n go f t l l ep o w e rl o s sm o d e l t h ec o m p u t e ri sm em a s t e r ，t h es o f h v a r ei sb 嬲e do nl a b v i e w ，w h i c hp e r f 0 h n s t t l es e r i a lc o m m u n i c a t i o n 谢mt 1 1 ed s pv i ar s 2 3 2i n t e r f a c e ，a n dc o n t m l st h e o s c i l l o s c 叩ev i ag p i bi n t e 墒c e 1 1 1 e n ，t h em o d e l i n gs y s t e mc a l c u l a t e sm ep o w e r l o s s e sb yt h es a v e dv o l t a g ew a v e f b n n sa n d 咄mw a v e f j m s ，a n dg e t st h cm o d e lo f t h ep o w e rd e v i c e f i l l a l l y ，t l l eg e n 髓a lu s e 趾dv e r a c i t yo f 也es y s t e ma r ev a l i d a t c db y t l l ee x p e r i i n e m k e yw o r d s ：i g b t ，d i o d e ，s 谢t c h j n gc h a r a c t 喇s t i c s ，s 、v i t c h i n gp o w e rl o s s t e s ts y s t e m ，m o d e l i n g 1 1 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论测试系统框图如图1 - 4 1 ，整个系统由四部分构成。计算机作为控制中心， 通过r s 2 3 2 接口控制d s p 完成测试，通过p c i 转g p i b 接口连接示波器来设置示 波器并将示波器记录下来的波形保存到计算机上，人机界面由l a b v i e w 实现。 测试电路采用电感性负载电路，如图1 - 4 2 ( a ) 所示，采用如图1 4 2 ( b ) 所示的双脉冲测试时序。 v ( a ) 测试电路 ； 。 t i 且型刊央 1= ；_ 一 l il i lt 霉亚移 i i ( b ) 测试时序 图1 - 4 2 器件开关特性测试电路及测试时厅 针对辅助电源原先采用工频变压器降压整流的方法，考虑到其体积庞大，效 率低，并且不利于装机，因此使用反激式开关电源取代工频变压器降压整流，这 样大大减少了体积，效率也得到大幅度的提高。 对于直流母线不稳，采样偏差等状况也迸行了一定的改善，使之在系统允许 的误差范围之内，提高系统测试的稳定性和准确性。 软件建模系统应具备友好的人机界面，以简化模型建立及误差分析复杂的内 部过程。软件使用m a t l a b 编程实现，人机界面通过m a n a b 的g u ( 用户图形界 面) 实现。软件包括了对于三种平均模型( 幂函数模型，幂函数与多项式结合的 模型，神经网络模型) 的建模，基于已建模型的损耗预测，损耗预测的误差分析 等内容。 本文首先介绍了测试系统硬件电路的设计与优化，接着介绍了建模系统的软 件设计和优化，并通过对于整个系统的通用性和准确性的验证，证明该系统能够 准确的实现电力电子器件的开关特性测量和损耗模型的建立，最后对本文的工作 做了一个总结及对以后工作的展望。 浙江大学硕上学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计与优化 2 1 原理与设计 由于整个测试系统要实现自动测试的功能，因此要保证测试过程中各个参数 要能够自动选择，测试数据能够自动保存。现在测量开关损耗最常用的电路是采 用双脉冲测试时序的电感性负载电路。由于它结构简单并且可以在很短的时间内 完成对一个测试点的测量，尽量的减少了开关损耗引起的器件温羿在整个测量过 程中的引起的偏差，因而得到广泛的应用。 2 1 1 测试原理 v d c ( a ) 测试电路 厂 il。 t t l t ；一甲 t li oo ； ! ! ! ! ? 血叫丐 、 il ( b ) 测试时序 图2 1 1 器件开关特性测试电路及测试时序 电感性负载电路的结构如图2 2 1 ( a ) 所示，双脉冲测试时序如图2 2 - 1 ( b ) 所示。在t 0 时刻i g b t 导通，集电极电流i 。开始上升，直到i 。上升至所需电流值 时( t l 时刻) 门极电压变低，i g b t 关断，便得到所需耍的关断过程电压、电流 波形；t l 时刻后，电感通过二极管续流， 导通，得到开通过程的电压、电流波形， 9 至t 2 时 浙江大学硕士学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计与优化 阻足够小时，可认为此时i g b t 开通的电流值等于t l 时刻关断的电流值；为了屏 蔽i g b t 关断后的电流拖尾和电压振荡，t l 至t 2 这段时间必须足够长，但是也不 宜过长，否则再次开通时由于回路里面的能量损耗而使电流下跌会比较大，t ：时 刻后，同样经过一小段时间后，在3 时刻，门极电压变低，i g b t 关断，电感再 次通过二极管续流，直至电流降为零，整个测试过程结束。 2 1 2 自动测试功能的实现与设计 自动测试功能的实现包括母线电压的自动调节，集电极电流的自动调节，门 极电压的自动调节，门极电阻的自动调节和温度的自动调节。 母线电压的自动调节，可以通过一个r c 充电电路实现。母线电压的调节范 围是2 0 0 v 一1 0 0 0 v ，为了实现这样一个大的调节范围，我们可以将市电通过一 个1 ：4 的工频变压器升压，采用图2 1 2 的r c 充电电路结构，就可以获得最大 1 2 0 0 v 左右的直流输出。继电器s wc h a r g e 用来控制充电时间以得到我们需要的 直流母线输出电 xul 浙江大学硕士学位论文第二章测试系统硬件电路的设计与优化 流采样的准确度产生很大的影响。而计算的方法简单，且只受母线电压的精度影 响，因此我们选择通过母线电压值和负载电感量值的计算来得到电感的充电时 间，进而控制电流的自动调节。 门极电压的自动调节，可以通过继电器和l m 3 1 7 线性稳压实现。门极电阻 的自动调节，可以通过继电器的切换实现。实现的原理如图2 1 3 。 图2 - 1 3 门极电压和门极电阻的自动调节 温度的自动调节，可以通过对整个温度控制系统的建模实现。主电路采用图 2 1 4 所示的电路结构。该电路结构简单，使用元件少，市电经整流滤波以后作 为输入，由一个开关管的通断时间控制输出电压。负载为一块加热板，其等效电 感很小，近似于纯阻性负载。图2 - 1 5 是开关管门极电压与加热电源输出电压的 关系图，由此可推导出占空比d 与输出功率之问的关系如式2 - 1 一i ，呈简单的线 性关系。这样只需要通过控制开关管门极脉冲电压的占空比d 就可以很容易地控 制加热电源的输出功率，从而控制加热板的温度。 杰 j i 1 tj 妻。 l v l o h d 啦 d t 黔 v d 了塾些1 l 态jd、划昌s ， 图2 - 1 4 温度控制系统主电路 0 日d t 二t t m a d 0 口d t 至t 口t ， 脚学：v d 2 r x d 式( 2 1 1 ) p t l 0 0 是种铂电阻，其测温精度高，稳定性好，测温范围宽( 一5 0 - 一- 6 5 0 。c ) ， 浙江大学顾十学位论文第二章测试系统硬件电路的设计与优化 温度测量的曲线符合指数函数( 式2 一卜4 ) 的曲线。因此，这个加热板可以看 作时间常数为f = 2 0 0 0 s 的阶系统。 加热板的稳态增益g 。，与起始温度( t o ) ，稳定温度( t ) ，及输入功率( p ) 相关，它们的关系如式2 一卜5 。 g - p = 导 式( 2 十5 ) 可以通过实验确定g 。与温度之间的关系。表2 1 1 给出了三组不同恒定输 入功率下的温度变化情况。 表2 1 1 恒输入功率下加热板温度变化情况 输入功率( p ) 1 6 w7 3 wl l o w 初始温度( t o ) 3 0 3 0 3 0 稳态温度( t ) 5 4 3 1 2 6 1 6 7 稳态增益g 。一， 1 5 1 91 3 1 51 2 4 6 利用淞t l a b 对表2 】的数据进行二次多项式拟合，如图2 一卜8 ，就可以得 到g 。与温度的关系表达式，如式2 一卜6 。 q 。= 7 9 9 4 如一6 + ，m 0 0 4 3 4 2 4 q + 1 7 3 5 2 式( 2 一卜6 ) 加热板的延迟时间可以通过给定一恒定输入功率，测量温度变化的延时来得 到。测试的实验波形如图2 一卜9 。测量条件：在o s 时输入功率由o 变为3 0 0 w ( 满 功率) ，而温度在约2 0 s 后开始上升，这就表明延迟时间大约为2 0 s ，即t d - 2 0 s 。 经以上分析，可得到加热板的传递函数如式2 一卜7 。 g “1 = p - 2 0 s ! ! 二旦一 式( 2 1 7 ) 2 ( ) o o s + l 选择采样时间为1 s ，则其z 变换后的传递函数如式2 一卜8 。 么 i t h m 图2 1 9 加热板的延迟时间 ” ： 图2 1 1 0 系统根轨迹 ( k 变，o t p - 1 4 ) 广7 一? 。一j 一 ： g 。i ： 。一j _ - 囊毒j ：癸删睁 ： 爹爹：t m ；i = ；高一：= ，；一。女 柚 图2 i 1 i 系统根轨迹 ( g t _ p = o 5 2 ，k f l 4 0 ， k = 2 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计与优化 z g ( s ) ) = g j 一，z 一2 。罴 通过已经建立的加热板模型，可以得到系统的传递函数，通过绘制根轨迹图 确定p 1 控制器的控制参数k p 和k i 。对于不同的t i = k p k i 值绘制根轨迹图，发现 当t 。小于5 0 时，使系统稳定的k 口范围很小，于是选取t i 为7 0 。图2 1 一1 0 显示 k 。作为变量时系统根轨迹图。最大的阻尼发生在k p = 1 4 0 ，故取k p = 1 4 0 ，k i = 2 。 图2 1 一1 1 为g t 。作为变量从0 5 到2 变化时系统的根轨迹图，由控制系统稳定判 据可知，所选的p i 参数能够保证系统稳定运行。 为了验证设计的正确性，建立系统模型进行仿真，并使用上述设计参数完成 一个实际的温度控制电路。p i 控制由d s p 数字算法实现，采样由d s p 的l o 位 a d 转换模块完成，实验结果的数据均通过d s p 的s c i 模块传送到p c 后绘制出 来。 图2 1 1 2 是在m a t l a b 中建立的温度控制系统的仿真模型。图2 一l 一1 3 ( a ) 、 图2 - 1 1 2 系统仿真模型 ( a ) 仿真结果 图2 一1 1 3 系统阶跃响应仿真与实验波形 。7 ， 7 3 - m l tc s ) ( b ) 实验结果 图2 - 1 1 3 系统阶跃响应仿真与实验波形 浙江大学硕上学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计l j 优化 ( b ) 给出了温度控制系统仿真和实验得到的阶跃响应波形( 目标温度为1 7 5 。c ) 。 图2 一l 一1 4 ( a ) 、( b ) 分别为仿真和实验得到的多次连续阶跃响应波形( 各次阶跃 目标温度为5 0 。c ，7 5 。c ，1 0 0 ( 2 ，1 2 5 。c ，1 5 0 。c ，1 7 5 。c ) 。 | r j l ， ( a ) 仿真结果( ”实验结果 图2 1 1 4 系统多次连续阶跃响应仿真与实验图2 1 1 4 系统多次连续阶跃响应仿真与实验 2 2 电路优化与分析 2 2 1 系统辅助电源的优化 图2 - 2 1 反激式辅助电源原理图 反激式辅助电源工作条件和技术指标如下： 输入电压；市电，即v i n = 2 2 0 v a c + 2 0 ；最大输出功率：p o = 3 8 w ；电路工 作频率：f 。w = 5 0 k h z 。输出9 路，分别为士1 5 v ( 霍尔采样) ，+ 5 v ( d s p 控制板) ，+ 1 2 v ( 继 电器) ，1 5 v ( 门极反压) ，+ 1 5 v ( 加热模块门极驱动) ，+ 1 5 v ( 控制芯片电源) ，- 1 6 v ( f q 浙江大学硕十学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计与优化 极电压) ，+ 2 4 v ( 门极电压) 采用+ 1 2 v 作为电压反馈，控制芯片采用u c 3 8 4 5 。 反激式电路功率电路参数设计 反激式电路主功率电路如图2 2 1 所示。 反激式变压器的设计。反激式变压器兼有电感和变压器的作用，首先计算其 原边电感量l p 。 设电路工作的最大占空d 。比为0 4 5 ，电路工作在电流( 磁链) 连续模式。选 用e 1 3 3 磁芯，其有效截面积s c 为1 1 9 m m 2 ，设最大磁感应强度b 为4 0 0 0 g s ， 考虑一定的裕量选取b 为2 2 0 0 g s 则原边电感l p 匝数n 。为： = 鳖a e 竖, s b = 慧9 罴1 焉2 2 0 0 器x 硼s 抑山 1 1 o 呻x1 0 1 实际电路中取n 。为8 6 匝。 气隙6 为： 6 ：p o n 2 s c ：塑业塑氅三坠堡晰。0 2 7 6 m 。式( ( 2 - 2 _ 2 ) l ，4 1 0 。 副边各绕组匝数应按照下式进行计算： m 2 丧等 蚍卸 因为土1 5 v 电源都是通过三端稳压器件7 8 x x 获得，而三端稳压器件要求输 入电压比输出稳压值高至少3 v ，所以n 2 、n 3 是按照输出电压绝对值1 8 v 计算。 经过计算可得：n 2 、n 3 取1 0 匝，n 4 ，n 7 取6 匝，n 5 ，n 6 ，n 8 取8 匝， n q 取1 2 匝，。原边导线m o 4 5 r r m a ，单股。n 2 、n 3 、n 5 、n 6 、n 7 、n s 、n 9 导线q ) 0 3 3 m m ， 单股。n 4 导线m 0 4 i m m ，四股。 开关管q 3 的计算。q 3 上承受的最大电压是输入电压值与输出电压折算回 原边电压值之和，即： “：钭3 7 3 3 + 1 2 x 钟矧s 式( 2 - 2 - 4 ) 因此，0 3 额定电压必须高于5 4 6 v 。q 3 的额定电流高于l p m 。，即0 4 3 a 。 所以选用i r m t p 4 n 9 0 ( 4 a 9 0 0 v ) 。 r c - d 箝位电路的设计。r - c d 箝位电路由r 3 、c 3 和d 1 组成。d 1 承受的 浙江人学硕士学位论文 第一章测试系统硬件电路的设计与优化 电压与q 3 相同，稳态工作时电流很小，选用f r l 0 7 ( 1 a 7 0 0 v ) 。r - c 时间常数应 与丌关周期接近，电容耐压应高于输出电压折算回原边的电压值，所以c 3 选用 4 7 0 p f 1 0 0 0 v ，r 3 选用5 l k f 2 。 输入滤波电容设计。输入滤波电容c 1 、c 2 耐压必须高于输入电压即电池电 压，c 2 为4 7 0 1 t f 4 5 0 v 电容，c 1 是1 u f 2 7 5 v a c 。 副边整流、滤波电路设计。d 3 一d 1 0 是副边整流二极管，它们的耐压均应高 于各自副边的输出电压与输入电压折算值之和，且为降低导通压降，应选用肖特 基二极管。d 3 d i o 均选用s r 3 a 0 ( 3 a 1 0 0 v ) 。 反激式电路控制电路参数设计 反激式辅助电源采用电流模式控制芯片u c 3 8 4 5 ( u 2 ) 进行控制，其控制电路 设计过程如下。 u 2 电源电路设计。u c 3 8 4 5 在输入电源电压高于8 4 v 时起动，低于7 6 v 时 关断。因此要起动反激式辅助电源，必须使芯片电源端( 7 脚) 电压高于8 4 v ，电 阻r 2 和电容c 2 0 可以实现这个功能。当启动时，输入电压通过r 2 向c 2 0 充电， 当7 脚电压高于8 4 v 时，芯片起动，副边输出电压建立。 但只有上述电路无法满足芯片持续工作的要求，所以在副边n 5 输出与7 脚 之间接入了二极管d 2 ，在电路输出电压建立起来后，由输出电压通过d 2 给芯 片供电。 实际电路中，r 2 取值3 5 k f 2 。c 2 0 同时也是芯片的电源去耦电容，取值是 1 0 0 1 a f 2 5 v 。d 2 是肖特基二极管f r l 0 7 。 三角波发生电路计算。u c 3 8 4 5 的工作频率是通过设置与4 脚( r 0 c t ) 相连的 电阻，电容来确定的，震荡器频率f o s c 与r t 、c t 的关系是： f o s c ( k h z ) = 可面1 丽7 2 式( z - 2 - 5 ) u c 3 8 4 5 的输出脉冲最大占空比为5 0 ，这是通过将震荡器频率分频而得到 的，所以主功率电路的工作频率。是震荡器频率的1 2 ，即： l , ( k h z ) 2 面面1 7 顾2 而2 5 。砒 式( 2 浙江大学硕士学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计与优化 由( 5 9 ) 可选择r 5 9 为8 2 k f 2 ，c 2 4 为2 2 0 0 p f 。 电流反馈控制网络设计。充电电路电流取样采用电阻取样方式，r 1 9 即为电 流取样电阻，对开关管0 3 电流进行取样。 u c 3 8 4 5 电流反馈输入端( 3 脚) 的最大电压被内部限制在1 v ，要使辅助电源 工作在稳压状态而非限流状态就必须使电流取样信号峰值小于l v ，因此有： 1 p 。r 1 9 1 v 式( 2 - 2 - 7 ) 所以有： r 1 9 l ：i l q 。2 3 q 式( 2 - 2 - 8 ) ，p 。o 4 3 实际电路取r 1 9 为2 2 1 2 。 r 1 8 和c 2 5 组成了电流取样信号滤波电路，其中r 1 8 = 1 k q ，c 2 5 = l n f 。 电压反馈控制网络设计。采用光电耦合控制电路，具体电路见图2 2 2 。这 种控制方式外围的元件参数十分重要。如果设计不当，就会使的控制p 嘲的反馈 电压信号偏离调节区，会使整个电源的稳定性明显降低。 v & e q l 粥 图2 2 2 光电耦合控制电路 由u c 3 8 4 2 内部电路可知，控制电压误差放大器的输出电压即可控制p w m 脉宽的变化。因此将其2 脚按地，由光电耦合控制电路的反馈信号直接控制电压 浙江人学硕士学位论文第二章测试系统硬件电路的设计与优化 2 0 4 6 9 6 0 2 1 l1 5 6 4 ，67 4 4 7 75 3 2 4 7 2 0 4 0 56 0 1 6 21 5 6 17 5 3 4 5 5 4 4 5 4 2 0 4 4 76 0 1 8 5 1 5 6 5 67 5 0 7 l5 4 7 4 3 2 0 4 8 36 0 l 。0 61 5 5 5 ，77 4 0 4 65 3 1 5 8 2 0 4 2 2 6 0 2 0 71 5 5 9 57 4 0 5 75 4 9 5 9 2 0 3 6 46 0 1 2 71 5 5 6 37 5 0 0 l5 4 8 0 2 2 0 3 3 96 0 1 ，5 71 5 5 5 77 3 5 0 55 5 7 7 2 0 4 1 l6 0 1 6 81 5 5 87 5 8 7 45 3 3 9 2 0 4 2 36 0 1 3 41 5 5 1 67 4 1 5 45 3 1 1 8 2 0 2 7 65 9 9 2 81 5 4 5 9 7 2 4 4 75 4 7 4 6 2 0 3 26 0 1 0 21 5 5 2 77 4 5 5 85 4 9 6 3 2 0 2 8 26 0 0 8 81 5 5 6 4 7 3 9 2 8 5 6 2 4 9 2 0 。3 7 56 0 0 ，7 9 1 5 5 0 97 4 0 9 65 3 9 1 1 2 0 2 9 16 0 0 1 21 5 5 1 37 3 7 2 85 6 8 9 2 0 - 3 96 0 1 3 6 1 5 6 0 67 3 3 3 65 4 1 0 5 2 0 5 3 66 0 0 4 81 5 5 4 47 5 9 1 9 5 1 8 1 3 2 0 3 3 95 9 9 6 7 1 5 4 2 87 4 3 95 4 6 2 6 2 0 3 4 96 0 0 1 41 5 5 0 67 4 7 6 45 5 9 3 3 2 0 4 7 6 0 1 4 2 1 5 5 2 5 7 3 7 5 35 2 5 7 7 2 0 3 0 25 9 9 1 51 5 4 2 97 1 5 3 45 4 2 4 7 2 0 5 5 2 0 。 g 2 0 4 5 誊2 0 i 4 i2 m3 5 2 0 3 l 一 2 0 2 5 k 量h ! ! ! 煎8 t e s ts e q u e n c e 一“。u u 一一 图2 2 - 3 重复性测试电流值 - 2 3 浙江大学硕士学位论文第二章襁0 试系统硬件电路的设计与优化 6 0 2 5 6 0 2 o 6 0 1 5 m 6 0 1 要6 0 0 5 多 6 0 0 5 9 9 5 5 9 9 o51 0152 0 t e s ts e q t l e n e e 图2 2 _ 4 重复性测试电压值 2 5 【- 2 - y o a r a g e _ 一! o51 01 52 02 5 t e s t 鑫e q 翱e e 图2 2 5 重复件测试开通损耗倍e 。 o5 。j 。1 0 一1 5 2 02 5 t e s ts e q u e n c e 图2 - 2 6 重复性测试关断损耗值e o n 2 4 一e o n l 煦驻l o 5 o 5 o 5 0 7 6 6 5 5 4 4 5 5 5 5 5 5 5i；1 一h j d o 耋瑚|曼瑚：!呈瑚。掰渤|萋删佻瑚 一h o 舞o 浙江人学硕十学位论文 第二章测试系统硬件电路的设计与优化 0 图2 - 2 - 7 重复性测试二极管反向恢复损耗值e 。 从上面的表和图可知，不同测试顺序下的电流电压的差别在允许的误差之内。 2 2 4 电感电流的采样校正 原先的电感电流是通过d s p 的a ，d 模块采样得到并通过运算来判断是否达 到我们预先要求的电流值，由于a d 采样的精度，延时，包括继电器的动作时 间的延时的影响，使得每次电流采样的稳定度不高，最大有1 a 的偏差，为了提 高系统测试性能，需要对其进行校正。在尝试了多次采样取平均值和通过电压电 感值计算求取充电时间这两种方法后，发现通过电压电感值计算求取充电时间所 得到的电流值更加稳定和接近预设电流值，故使用这种方法控制电流。同时，由 于采用了计算的方法，因此在需要精确得到某个测试条件下的电压电流波形时， 可以通过改变电感的输入值来微调实际的电流值使之与预设电流值吻合。 2 2 5 测试系统的结构设计 由于测试系统需要装机，因此需要考虑整个系统的结构设计。基本的考虑是 将功率电路和控制电路分成两块，尽量减少两者之间的相互影响。具体结构如图 2 2 8 。p a r t l 是功率电路部分，包括了变压器，直流母线电容，直流母线控制板， 整流桥和充放电电阻。p a r t 2 是控制电路部分，包括辅助电源，d s p 控制及接口 板和加热控制板。由于测试需要加热，因此考虑将测试部分电路和加热板放在机 箱的上方，有利于散热。p a r t 3 是测试电路，包括加热板和测试板，以及风扇。 实际的机箱结构如图2 2 9 ，2 - 2 1 0 ，2 2 1 l 。 2 5 渤咖啡垂|黜 浙江人学硕士学位论文 第二章测试系统鹰l ! 件电路的设计与优化 图2 2 1 0机箱实体图二 图2 2 - 1 1机箱实体图三 一2 7 - 浙江大学硕士学位论文 第三章测试系统软件设计与优化 3 1 人机界面与d s p 控制设计 测试平台的人机界面采用l a b v i e w 软件来实现。l a b v i e w 是实验室虚拟仪器 集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国 国家仪器( n i ) 公司开发的软件，它提供了工业界最大的仪器驱动程序库；配合 使用g p i b p c i ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口卡可以方便地连接p c 机和 示波器并对示波器进行控制。它使用的是一种图形化的编程语言，其入机界面面 板如图3 1 一l ，人机界面的内部程序流程如图3 - 1 2 。， 图3 1 1 测试平台人机界面图 该界面在实现单次测量的功能基础上加入了重复测试功能，避免了要在实现 重复测试的时候要手动操作的麻烦，图中r p t 是需要重复测试的次数设置，s t a t u s 是当莳测试的次数。由于电流探头和电压探头的电缆线长度不一样，因此会造成 两个测试通道的延迟时间不同，使的测试得到的电压电流波形与实际波形有一定 浙江人学硕十学位论文 第三章测试系统软件设计与优化 关断时刻电压波形上面有一定的振荡，没有稳定下来；如果太长，则因为续流的 时候电感导线电阻和二极管内阻的能量损耗使得开通电流掉落太大，因此经过设 计和多次测试以后，我们确定二极管的续流时间为1 0 u s 。因此时间轴就可设置 为2 p s d i v 。 通道灵敏度的设置主要考虑的是测量波形的幅值。因此根据电压电流波形的 幅值我们可以设置通道1 ( 电流波形) ，通道2 ( 电压波形) 的参数。表3 2 1 给 出了针对m g p 2 0 8 1 2 0 u d - e ( 1 2 0 0 v 2 0 a i g b t ) 的具体设置。 表3 2 1 示波器各通道参数设置 通道衰减系数 耦合 v o l t s d i v 偏置 v 1 = 5 0 m v d i v ( w h e ni c = s a ) v l = 1 0 0 m v d i v ( w h e ni c _ 1 0 ，2 0 a ) c h l1d c 5 0 q一3 v 1 v 1 = 2 0 0 m v d i v ( w h e ni e = 3 0 - 8 0 a ) v 1 = 5 0 0 m v d i v ( w h e nl c = 1 0 0 1 5 0 a ) v 2 = 5 0 v d i v ( w h e nv c 产1 0 0 3 0 0 v ) c h 21 0 0d c 】m q v 2 = 1 0 0 v d i v ( w h e nv 。e _ 4 0 0 6 0 0 v ) 一3 5 v 2 v 2 = 2 0 0 v d i v ( w h e nv 萨7 0 0 l 0 0 0 v ) 触发方式采用单次触发( s i n g l et r i g g e r ) ，并使用短脉冲干扰屏蔽触发( g l i t c h t r i g g e r ) 类型【8 1 ，这样就可以避免由脉宽小于l l a s 的脉冲引起的误触发。具体设 置如表3 2 2 。 表3 22 示波器触发参数设置 触发源触发模式触发类型触发电平 触发延时 g l i t c ht r i g g e r p r e - t r i g g e r c h - s i n g l e 0 5 v l ( p o s i t i v es l o p ew i d l h l u s ) 2 0 浙江大学硕士学位论文 第四章建模系统软件设计 4 ，1 功率损耗的定义 功率半导体器件大都工作在开关状态，因此功率半导体器件的功率损耗一般 由开关损耗( 开通损耗和关断损耗) 和导通损耗组成。导通损耗是指功率半导体 器件在开通后处于饱和导通状态时消耗的功率，一般由器件导通时的电流有效值 与电压有效值的乘积决定的。而开关损耗则取决于功率半导体器件的开关特性。 对于i g b t 来说，是由开关过程中的电压电流波形决定的。我们采用桥式电路单 个桥臂的工作状况来说明对于开关损耗的定义。图4 1 1 为桥式电路单个桥臂的 结构和丌关损耗的定义。其中，eo n 为开关管的开通损耗，eo f r 为开关管的关 断损耗，e s o n s t a t e 为开关管的导通损耗，e d o n s t a t e 为二极管的导通损耗，e r e c 为二极管的反向恢复损耗。 4 竺睦挚 e 。j 旧把： 笪身! ：i ， ( 口) 桥式电路单个桥臂电路结构 ( s l 和d 2 的电压和损耗波形 图4 1 1 开关器件的损耗分析 4 2 建模方法介绍及本文使用的建模方法 现今采用的i g b 仰i o d e 损耗建模方法主要有两类：一类是基于器件仿真的 损耗建模，另一类则是基于数学计算的损耗建模。 4 2 1 基于器件仿真的损耗模型 基于器件仿真的损耗建模又分为基于物理结构的微观模型和基于电路集中 h 吼 m 差 浙江大学硕十学位论文 第四章建模系统软件设计 参数的宏观模型两种。这些建模方法各自有它的优点和应用范围，下面做一下简 要的介绍。 基于物理结构的i g b t 微观模型是通过对器件的内部物理参数的解析，获得 等效电路模型，从而侧重于对器件的开关特性的研究。目前比较常用的包括 h e 伍e r 物理模型，k ，s h e n g 物理模型，以及k r a u s 物理模型。h e 血e r 物理模型比 较复杂，但是它能很好的模拟器件的瞬态特性，具有很强的模拟和通用性。 k s h e n g 物理模型结构简单，仿真速度快，它在通态特性方面相对于h e f h e r 物理 模型有很大的改善，目前主要应用于p s p i c e 仿真软件中。而心a u s 物理模型是将 i g b t 看成是一个m o s f e t 和b j t 的组合，在原理上很容易理解，结构也简单， 现在广泛应用于s a b e r 仿真软件中。这三种模型的基本结构如图4 2 1 ( 口) h e ：【i l e r 物理模型( 6 ) k s h e i l g 物理模型 图4 2 1 基于物理结构的i g b t 微观模型 m ( 0 k r a u s 物理模型 ( 口) m o s f e t 和b j t 的组合模型( 改进的m o s f e t 和b j t 的组合模型 图4 2 - 2 基于物理结构的临b t 宏观模型 基于集中电路参数的i g b t 宏观模型的出发点是把功率器件当成个开关， 因而只需用较少的几个无源电路元件模拟它。目前比较常用的有m o s f e t 和b j t 的组合模型，以及改进的m 0 s f e t 和b j t 的组合模型。前一种模型的仿真速度 非常快，但是对器件动态性能的仿真能力比较差。在一些不需要考虑开关过程的 应用场合，可以考虑用此模型。而后一种模型通过加入一个非线性电容和一个被 j 4 浙江大学顾士学位论文第四章建模系统软件设计 控电流源可以减小关断延迟时间的误差，使得模型的仿真速度和动态特性得到一 个折中。这两种模型的基本结构如图4 2 2 。 4 2 2 基于数学计算的损耗模型 基于数学计算的损耗建模方法是通过实验的方法，得到各个影响开关损耗的 因素与开关损耗之间的关系，比如电压，电流，温度，门极电压，门极电阻等等。 它与器件的具体型号没有关系，因而更具有通用性。但是对于这种方法来说，实 验作为器件功耗建模的基础，离精度和高可靠性的测试平台是建立该模型的关 键。由于测试点数与模型的准确度成一定的下比例关系，考虑到模型的获得是基 于大量的实验测试，因此需要在准确性和测试次数上有一个权衡。 目前常用的损耗建模方法包括幂函数法，插值法，多项式法，开关波形面积 计算法和根据数据手册计算法。 幂函数方法在计算损耗时把损耗表示成电流的幂函数形式，并对导通损耗和 开关损耗采用不同的计算式。这种方法综合考虑了通态电流、母线电压和结温对 损耗的影响。 插值方法在计算损耗时考虑了通态电流、母线电压和结温的影响。它采用拉 格朗日插值法将损耗表示成通态电流、母线电压和结温的线性形式。 多项式方法在计算损耗时将损耗表示成通态电流的多项式形式，对导通损耗 和开关损耗也采用了不同的计算式。由于幂函数可以表示成多项式，因此多项式 的方法和幂函数的方法其实是致的。但是由于多项式具有更多的拟合系数，使 得它的模型在一定程度上会更加准确。 开关波形面积方法是根据i g b t 实际工作的电压和电流波形计算图形面积的 方法来计算开关损耗。器件的开关损耗是由开关电压、开关电流和开关时间三者 的乘积决定的。在开关波形图中，开关时间内电压波形和电流波形相互重叠的部 分就是表示三者的乘积。这部分的面积值即是开关损耗值。 根据数据手册计算损耗这种方法是由英飞凌公司提出的，它通过l g b t 数据 手册上的各种工作曲线和实际的工作条件来估算其实际的工作参数。通过这种方 法可以估算的参数包括器件的通态电流值、散热值、损耗值、结点温度等。 在估算损耗的时候，首先要从器件的数据手册得到以下的数据： 浙江大学埘十学位论文 第四章建模系统软件设计 ( 1 ) 在最高结温丁赫删时，器件的输出特性曲线； ( 2 ) 集射极间电压随结温变化的曲线； ( 3 ) 在最高结温乃m 删时，开关损耗随集极电流变化的曲线； ( 4 ) 在最高结温乃加删时，开关损耗随门极电阻变化的曲线； ( 5 ) 开关损耗随结温变化的曲线。 对于以上几种数学计算的建模方法来说，幂函数方法的系数太少，虽然拟合 速度很快，但是拟合的效果不是很好。而多项式的方法虽然理论上可以无限的增 加系数来使模型更加准确，但是系数的增多会使拟合速度大大的降低，因此考虑 到这两种方法各自的优点，我们决定采用幂函数和多项式结合的方法作为改进的 损耗建模方法之一。 神经网络( n e u r a 】n e t 聃m k ) 是一种模拟人脑生物过程的一种人工智能技术， 它由大量的神经元广泛互连形成复杂的神经元网络，它可以通过已有的数据自动 的寻找规则，总结内在规律，还具有很强的非线性映射能力，对于因果关系复杂 的推理，判断问题有很大的帮助。 神经元是神经网络的基本处理单元，它一般是一个多输入单输出的非线性 元件。神经元输出除了受输入信号的影响外，同时还受到神经元内部其他因素的 影响，所以在神经元建模中，常常还加有一个附加的输入信号，称为偏差( 6 妇曲。 激活传递函数是一个神经元及网络的核心。网络解决问题的能力和效果除了与网 络结构有关，在很大程度上取决于网络所采用的激活函数。激活函数的基本作用 是：控制输入对输出的激活作用；对输入、输出进行函数转换：将可能无限域的 输入变换成指定的有限范围内的输出。常用的激活函数包括阀值型( 这种激活函 数将任意输入转化为0 或l 的输出) ，线性型( 线性激活函数使网络的输出等于 加权输入加上偏差) ，s 型( s 型激活函数将任意输出值压缩到( o ，1 ) 或( 一l 1 ) 的范围内) 。 神经网络按照网络拓扑结构可以分为前向网络和反馈网络两大类。前向网络 的特点是：信号的流向是从输入通向输出。反馈网络的特点是：输出信号通过与 输入连接而返回到输入端，从而形成一个回路。 目前，在人工神经网络的实际应用中，绝大部分的神经网络是采用b p 网络 和它的变化形式，它也是前向网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华的部 分。”我们主要利用b p 网络进行函数逼近，即用输入向量和相应的输出向量训 3 6 浙江人学硕士学位论文 第四章建模系统软件设计 练一个网络逼近一个函数。 b p 神经网络属于前向神经网络，它具有前向神经网络的基本结构。它包括 了输入层、隐含层和输出层。传递函数一般选择对数s 型函数、正切s 型函数和 线性函数。对数s 型函数产生0 到1 之间的输出，而正切s 型函数产生一l 到l 之间的输出。因此在多层b p 神经网络中，采用不同传递函数将会得到不同范围 的输出。隐含层经常使用s 型函数，输出层则使用线性函数，这样的多层神经网 络能够学习输入和输出之间的非线性关系，而线性的输出层保证了网络的输出具 有一l 到l 之外的范围。当然，如果要使网络的输出落在o 和l 之间，输出层要 使用对数s 型函数。 b p 神经网络的训练使用函数加勘( ) 和盆呦f ( ) 。函数f r a 扣( ) 是通过调 用参数门p f f 瑚，彬劫设定的训练函数来实现网络训练的，而且训练的方式由参 数力日t 打a ，门助，a 胛的值来确定。而函数a 却t ( ) 是通过调用参数门e t a 幽p 扩幻 设定的训练函数来实现训练的，训练的方式由参数n e t a 咖# 忍朋用的值确定。 训练网络前可以根据需要修改训练参数的值： ( 1 ) 门e f 打笛f n 忍阳皿印d c 以：训练最大次数； ( 2 ) 刀口f f 船，力尸a ，a 以即a 训练误差期望值； ( 3 ) 月日f 打a j 日忍阳以s 肋肫训练显示频率，每多少轮显示一次： ( 4 ) 删f t r a j 彬切砚j r ：训练学习速度。 当网络遇到如下情况时将结束训练过程： ( 1 ) 达到训练误差期望值； ( 2 ) 达到训练最大次数； ( 3 ) 早期停止。 因此鉴于神经网络良好的函数逼近功能，我们采用神经网络作为第二种建模 方式。 对于已经建立的模型，我们可以利用样本方差来评价模型的准确性。其计算 公式如式4 2 一l 。 驴忘静 其中丘。丘，分别表示第j 个测试点的测量计算值和模型计算值。易越小，说明 模型越准确。 - 3 7 浙江大学硕士学位论文 第四章建模系统软件设计 4 3 建模软件的流程及优化 4 3 1 开关区间的定义和损耗的计算 要建立器件损耗模型，首先得从存储的电压电流波形计算得到损耗值。二极 管的反向恢复损耗可以通过两种方法获得：一是通过i g b t 的电压电流波形间接 计算获得；二是通过电路直接测量二极管的电压电流波形，然后通过计算获得。 这里我们选用问接计算的方法，主要是考虑到整个建模软件的通用性。图4 3 1 是根据存储的测试点文件计算开通损耗( e o n ) ，关断损耗( e o 丘) 和二极管反向 恢复损耗( e r e c ) 的流程图。 图4 3 1 损耗计算流程图 器件开通，关断的区间以及二极管反向恢复区间的定义是计算功率损耗的关 键。因为不同的开通与关断区问的定义