1.2　牵引变流器研究现状

1.2.1　IGBT建模研究现状

功率半导体器件是电力电子技术及其应用装置的基础器件。建立合适的电力电子器件模型，有助于对电力电子器件特性进行准确模拟［3～13］。IGBT具有耐压高、电流大、开关频率高和驱动功率小等优点，是目前在中大功率电力电子变换器领域使用最广泛的功率半导体器件。建立实用准确的IGBT模型，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。准确的IGBT模型也是分析IGBT和由其构成的牵引变流器的暂态过程以及准确计算开关损耗的基础和关键，同时有助于分析解决很多电路设计和分析难题：开关功率损耗、瞬时电压尖峰引起的击穿、寄生参数的影响、电路振荡及引起的EMI、驱动设计（优化开关损耗）、半导体器件并联、热管理等［5～9，16］。

从IGBT试制成功至今，已有很多文献研究IGBT的建模方法［3～20］。现有的IGBT模型大致可以分为两类：物理模型和行为模型。目前比较常用的物理模型主要有：Hefner模型［3］、Kraus模型［4，5］和KuangSheng模型［6，7］。这类模型主要基于半导体物理方程，利用载流子和电流分布描述器件，可精确反映器件的结构参数和特性之间的关系，但模型参数依赖于器件结构、工艺，不易获得。Hefner已经开发了几个物理级的NPT型IGBT和PT型IGBT的AHDL模型［9］，可用于进行器件的电热仿真，仿真精度较高，但仿真时间较长，同时需要提供很多目前IGBT器件技术手册范围之外的技术参数。

行为模型利用现有的功率器件的组合来构造新器件的模型，非常简单，易用于软件仿真，只是难以表达其内部非线性寄生电容的影响，在描述动态行为时精度欠佳。国内对IGBT建模的研究主要基于IGBT的行为模型［10～17］，文献［10］以IGBT的等效电路为基础，采用PSPICE中现有的VDMOS和双极性晶体管的模型建立了IGBT的组合模型，采用固定的电容来模拟IGBT的栅源电容（C_ge）、MILLER电容以及输出端寄生电容C_ce，模型精度一般。文献［11～13］根据IGBT的外特性，采用构造法建立IGBT的PSICE通用宏模型。利用该模型进行IGBT特性仿真，仿真结构与器件原特性吻合较好，但对IGBT的实际特性和参数做了某些简化处理，或进行了假设，使某些特性，如温度变化对IGBT特性的影响，无法利用该模型进行分析。文献［14，16］采用固定电容模拟IGBT内部寄生电容，同时引入二极管反映IGBT器件的击穿特性，静态特性模拟较好，动态特性由于极间电容建模精度不够而与实际曲线误差较大。

两种建模方法的比较如表1-1所示，两种方法各有利弊。一些通用的电路仿真软件如Pspice、Saber虽然提供了较为丰富的元件库，但是需要设计者或工程师编写复杂的代码［5～13］，建模过程复杂，且精度不易保证。

现存的IGBT模型都有一定的优势，但这些模型在应用于电力电子变换器等复杂电路时都会存在一定的问题：参数抽取困难［15～17］，模型计算量大造成仿真时间长［18，19］，参数调整不容易导致适用性较差［9～14］等。结合常用的电力电子与电力传动仿真软件，如Psim和Simploror，针对IGBT建立一个兼顾仿真精度和速度、参数提取比较简单、且考虑温度影响和损耗的模型，用以分析变流器的暂态过程，指导变流器的优化设计。该模型尚需深入研究。

1.2.2　基于电热耦合的牵引变流器特性分析研究现状

大功率变流器的研究涉及结构、温度场、流体、电磁等领域的多场耦合问题，需要研究散热和杂散电感的问题，而这两个问题又以结构为基础，受结构影响很大，同时散热和杂散电感也显著地影响变流器的工作性能和可靠性，需要综合考虑，协同设计。这些问题同样存在于电力电子器件封装设计和电力电子集成系统中［20～37］。

图1-1给出了牵引变流器多物理域协同设计平台示意图。首先，利用CAD建模工具建立牵引变流器的三维模型，并初步设计其机械结构以及连接线路，而后利用线路杂散参数提取方法提取杂散参数，接着是变流器系统的控制仿真，检查其电气特性，如EMI、功率损耗、动态电压电流冲击等是否满足要求。如果线路杂散参数不合适，电气性能会恶化，需要返回CAD环境修模。另一方面，基于CAD模型和功率损耗可以进行热场分析。如果热场中热点温度太高或散热严重不均匀，也需要返回CAD环境修模。不断重复上述过程，直到满足要求为止。

电热耦合是变流器多物理域耦合中的重要部分，对变流器的工作特性具有重要影响，越来越多的文献对变流器中电热耦合的现象进行研究［22～39］。现有文献中多用Comsol Multiphsics、Ansys以及Flux软件进行电热耦合研究。Comsol Multiphsics的特点是将求解多场问题归结为求解偏微分方程组，用户只需选择或者自定义不同专业的偏微分方程进行任意组合，便可轻松实现多物理场的直接耦合分析［21］。Ansys则推出Workbench平台，将电、磁、热、机械和结构等多场问题有机融合进行求解［22～25］。Ansoft软件得到的电磁仿真结果可直接应用到Ansys的热和结构分析中。但Ansoft和Ansys的完全无缝融合还需要一段时间。Flux是一款仿真电、磁、热的有限元分析软件，适合对象包括电机、传感器、变压器和超导磁体等［27］，可以进行电热耦合和热磁耦合仿真，但元件库较为简单，没有功率半导体器件，因此在仿真整体牵引变流器方面尚有欠缺。

文献［25～37］针对不同的对象建模和分析时都考虑了电热耦合的影响，甚至考虑了更多物理域之间的相互耦合，得到了与实际情况更为接近的模型。其中，文献［26］利用Comsol软件对绝缘硅二极管进行包含电-热-力在内的多物理域耦合模型，并用有限元分析的方法进行了仿真，但只考虑了功率二极管的稳态特性。文献［27］则对电热耦合的问题提出了一种三维解耦控制的方法，但是缺乏通用性。文献［28］研究了大电流流通的球面电气连接的机械-电-热相互耦合分析方法，考虑了材料的热传导特性、电气特性等。文献［29～37］研究了功率模块的电热耦合模型建模，分别采用状态空间法［30～35］和傅里叶级数法［37，38］建模，但基本都是针对单个IGBT单元进行的原理建模。文献［36］将电热耦合的建模方法分为直接法和渐近法，直接法是用同一个仿真软件来同时求解热问题和电问题，而渐近法是用两个不同的仿真工具分别处理热问题和电问题。以上文献对从电热耦合角度分析牵引变流器的电热工作特性都有一定的借鉴意义。

1.2.3　直流母排杂散电感研究现状

大功率变流器中，层叠母排得以广泛利用［38～54］，用以减小线路的杂散电感。在功率开关管的关断过程中，电流变化率|di/dt|非常大。高的|di/dt|有两方面的影响：一方面，在换流电流环路的杂散电感上产生较大的感应电压，该感应电压与直流母线电压一起叠加在新关断IGBT的集电极和发射极两端，引起较大的关断电压过冲，该电压过冲有可能造成IGBT的击穿而最终失效；另一方面，高|di/dt|，以及在关断IGBT上产生的高电压变化率|dv/dt|，会对控制电路和环境造成较为严重的电磁干扰（EMI）［40～46］。因此，研究影响电压尖峰的杂散电感构成，以及研究结构因素对层叠母排杂散电感的影响规律并进行以降低电感为目标的优化设计和应用，具有重大意义。

减少电压尖峰及EMI方面的措施有：采用吸收电路、低感电容或IGBT器件、低感连接方式、电容并联、软开关技术、调整栅极电阻R_g及驱动电压u_ge优化IGBT驱动、优化布局设计以及改进某些具体应用场合的变流器控制策略等，但最根本的措施在于抑制干扰源。大功率变流器中的电磁干扰能量来源于功率回路中储存在寄生电感中的能量，因此最根本也是最有效的方法是减少主功率回路中的寄生电感。而目前最主要的研究集中于主功率回路的设计，特别是功率互连母线的优化，以降低互连母线的寄生电感方面［41～51］。

在目前的研究中，对于互连母排的研究方法主要有如下几类：

①规则导体模型［41～43］　对于规则的导体，一般可以利用相应的公式进行直接计算，得到等效参数分布模型。但是这种方法仅限于计算规则的导电平板，许多互连母排不仅形状不规则，并且在设计中有弯折、过孔或者窗口，这些情况都无法直接使用公式得出准确的寄生参数。

②三维有限元法　文献［44～46］利用商用软件Ansoft中的三维有限元方法研究功率电路的布局布线，可以得到互联母排的阻抗以及开关瞬时电流分布的仿真结果。由于三维有限元法通过解Maxwell微分方程得到分布参数信息，对计算机资源的要求较高，同时还必须预先确定电流环路才能进行计算；而在一个复杂模型中，确定电流环路本身就比较困难。

③部分参数等效法　部分参数等效电路法可用于抽取PCB上的连线以及IGBT模块的寄生参数［47～53］。部分参数等效电路法只需知道连线的几何结构就可以进行分析，这对于非线性开关电路的寄生参数抽取是很有利的。目前的商业软件InCa和Statmod都是采用部分参数等效电路法计算PCB杂散参数以及导体的电流密度。通过使用以上仿真软件，不仅可以得到任意形状互连母排的等效电感、电阻模型，而且也可以得到互连母排各处的电流分布情况，有利于改善主功率回路的设计。

图1-2为一个逆变器用的叠层母排结构。叠层母排的杂散电感要低于线束、导线、PCB、组装铜排等连接方式的杂散电感，此外还具有如下优点：用户定制的模块形式容易安装及处理，具有高分布电容和低电感，在高速开关动作中可减少开关噪声，具有高的电流流通能力并有极小的压降，特征阻抗低，接地及屏蔽能力优越，具有细而宽的导体，因此散热能力好，结构紧凑，能实现无容错连接等［38，44，52］。

目前，很多文献对中大功率Laminated Bus Bar的设计、建模及分析开展了大量研究工作［39～48］。文献［39］提出高频和高功率等级下低感平面母线排结构的设计原则；文献［40，41］指出应从电气设计和机械设计结合的角度，将大功率IGBT模块、直流电容、散热器、母线排以尽可能低感的方式进行选择、布局和设计；法国科学家Skibinski等提出直接从几何参数计算寄生电感的方法，并建立了一个母线排连接模型［46］；美国Beukes等研究了电路布局及连接母线排设计，分析了母线排及其周围的电流及电场分布，提出了寄生电感的预测及减少措施［47，50］；意大利科学家Caponet等进行了功率变换器EMC及逆变器设计的研究［38］。国内方面，文献［43］针对IGCT构成的三电平变流器进行了母排设计研究，提出了母排分配设计的方法；文献［44］针对IGBT构成的三电平变流器进行母排设计研究，提出用镜像电流设计低感母排的方法。文献［45］研究了母排电容组杂散参数对H桥功率单元开关暂态过程的影响，提出了直流母排电容组的等效电路和基于最小二乘辨识法获取电容组等效参数的方法。文献［48］以基于IGCT（即集成门极换流晶闸管）的1250kW/6kV三电平变频器为例，通过理论分析、仿真和实验，深入研究了杂散电感对IGCT关断特性的影响，为基于IGCT的大容量变换器的设计和优化提供了重要的指导。

针对层叠母排，还有以下问题值得深入研究：电容布局对线路杂散电感的影响；多层母排的设计方法以及对杂散电感的影响；分块母排相互之间的低感连接方法等。

1.2.4　牵引变流器损耗计算和散热分析研究现状

随着电力电子技术的发展和工业应用要求的不断提高，变流器的功率密度在不断提高，热耗密度也几乎在同步增加。对变流器进行损耗计算［55～71］和散热设计［72～98］成为功率变流器向大功率方向发展的关键技术之一。

准确计算IGBT的损耗是进行变流器热分析的基础。文献［55～59］采用损耗估算的方法求得IGBT及其并联二极管的通态损耗和开关损耗，虽然简便但准确度不高。文献［60，64］基于IGBT的开关实验波形，进行分段数值拟合处理，将IGBT的暂态过程电压和电流波形予以再现，在此基础上进行积分求出较为准确的开关损耗。这种方法较为复杂，因此不易推广到其他变流器工况。英飞凌公司也给出了一套计算IGBT功率损耗的软件IPOSIM，该软件使用简单方便，但只适用于常规拓扑和常规调制策略的情况，且不考虑结温的影响。此外，在PSIM9.0软件中，具有损耗计算功能，它支持自建IGBT损耗模型，将IGBT的输出特性、损耗特性曲线全部拟合成方程表示，而后通过实时仿真出的IGBT电流波形，求解损耗。该方法适用范围广，操作相对简单，并有较高的准确度，但是没有考虑杂散电感、门极电阻和结温的影响，仍需进一步研究。文献［61，63，65～71］针对三电平变流器的散热情况进行研究，推导了各开关器件损耗的计算公式，比较了不同调制策略下的损耗情况，得出了损耗随功率因数角和调制比的变化规律。但是所推导的公式不易推广到其他拓扑和控制策略。

热设计能避免潜在的散热问题，提升产品可靠性和寿命。目前针对变流器的散热方法有多种，如风冷、水冷、热管冷却、蒸发冷却等［72～98］。它们的特点比较如表1-2所示。用于牵引变流器散热的主要是风冷和水冷。风冷散热是最简单、最直接、成本最低的散热方式，一般应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中［75，80］。目前，空气冷却技术的冷却能力可达50W/cm2［82］。水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪声，能较好地解决降温和降噪问题［94］。

文献［73～81］分别研究了用强迫风冷对变流器进行冷却的效果，文献［87］则重点研究了变流器在采用水冷时的设计方法和温度分布情况。其分析方法都是基于商用仿真软件，目的在于设计合适的散热方式对变流器中的功率器件进行冷却。但是对变流器损耗的计算多是采用估算的方法，且忽略了功率母排、直流母排电容组等的损耗，这必将使最终的散热分析结果产生偏差。常用的风冷散热系统和水冷散热系统在实际使用时都存在优化设计的问题，使各功率模块温升不超过最大限制，而且各模块的最大温升比较均衡，流量和散热器尺寸达到最佳匹配。

在IGBT的结温研究方面，也有大量的文献［84～91］。文献［84］研究了通过有限元方法研究了IGBT内部焊接剥离的影响。文献［85］用Matlab/Simulink实现了功率IGBT模块的瞬时热仿真。文献［86～88］从瞬态热阻抗的角度，分析了温度对功率损耗以及开关过程的影响。文献［89～91］就IGBT的结温在线控制提出了有益的探索方法。IGBT结温和壳温均难以直接测量，一般都是测试散热器表面温度，然后利用热阻参数根据热路原理进行估算［84，89］，如：

T_j=T_h+P（R_jc+R_ch）　　（1-1）

式中，P为IGBT模块的总功耗；R_jc为器件结到管壳基准点的稳态热阻；R_ch为管壳基准点到散热器基准点的接触热阻。这两个热阻值都可以在器件的datasheet中查到。

实验中，IGBT也可以根据IGBT的流通电流有效值i_{c_rms}和通态压降平均值u_{ce_av}、根据IGBT不同结温下的输出特性u_ce（i_c，T_j），通过插值估算的方法得到IGBT结温［84］。具体方法是将IGBT在25℃和125℃结温下的伏安特性曲线进行拟合，并对固定i_c不变的条件下u_ce和T_j的关系进行线性拟合，如下：

　　（1-2）

式中，k₁、k₂、b₁、b₂均为拟合系数。将实验测得的流通电流有效值i_{c_rms}和通态压降平均值u_{ce_av}代入式（1-2）便可得到此工况下的结温。