電力電子系統(tǒng)的虛擬優(yōu)化對于提升現(xiàn)代技術(shù)的性能和效率至關(guān)重要。這一過程的核心在于開發(fā)精確的半導(dǎo)體模型，這對于模擬電力電子轉(zhuǎn)換器的開關(guān)行為、電流共享和過壓特性是不可或缺的。本文概述了一種新穎的半導(dǎo)體建模方法，該方法結(jié)合了靜態(tài)和動態(tài)表征技術(shù)以及參數(shù)擬合，從而能夠創(chuàng)建高度精確的模型。

電力電子技術(shù)幾乎存在于現(xiàn)代生活的各個方面，從消費(fèi)電子到可再生能源集成和交通。這些系統(tǒng)的性能很大程度上取決于其功率半導(dǎo)體器件的能力，這些器件在確定設(shè)備的電氣特性、熱管理、控制復(fù)雜性和整體效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

虛擬設(shè)計方法的興起為優(yōu)化功率模塊和完整的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)開辟了新的可能性，使工程師能夠在投入物理原型之前探索設(shè)計變化。

電力模塊的虛擬設(shè)計和優(yōu)化取決于半導(dǎo)體模型的準(zhǔn)確性。這些模型必須考慮各種因素，例如并行半導(dǎo)體晶圓之間的動態(tài)和靜態(tài)電流共享以及不同工作點(diǎn)的過壓條件。

開發(fā)優(yōu)化的功率模塊需要大量的設(shè)計迭代和原型測試，這將開發(fā)過程延長了相當(dāng)長的時間。盡管模擬在開發(fā)中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，但現(xiàn)有的工作流程沒有提供半導(dǎo)體晶圓表征和功率模塊建模之間的無縫集成，限制了完全優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的潛力。

當(dāng)前虛擬設(shè)計工作流程和挑戰(zhàn)概述

已經(jīng)提出了幾種用于優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的虛擬設(shè)計工作流程，所有這些工作流程都嚴(yán)重依賴于瞬態(tài)電氣模擬來準(zhǔn)確模擬半導(dǎo)體開關(guān)行為。這些模擬提供了對半導(dǎo)體晶圓上的電流分布和設(shè)備損耗等關(guān)鍵因素的深入了解，使電力模塊和整個轉(zhuǎn)換器的電氣和熱優(yōu)化成為可能。

然而，要實(shí)現(xiàn)這樣的模擬，需要高度精確的半導(dǎo)體器件模型。一些供應(yīng)商提供這些模型，但必須針對每個新設(shè)計、工作點(diǎn)和系統(tǒng)配置驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體器件本質(zhì)上很復(fù)雜，不能完全通過簡化的模型來表示，否則會犧牲準(zhǔn)確性。雖然3D物理模型提供了最高的保真度，但它們計算量太大，不適合常規(guī)設(shè)計優(yōu)化。

因此，緊湊的行為模型，這些模型簡化了器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。盡管英飛凌科技等供應(yīng)商提供了緊湊模型，但它們的準(zhǔn)確性僅限于某些工作點(diǎn)，由于加密，用戶無法根據(jù)特定需求修改這些模型。

為了解決這些挑戰(zhàn)，與Keysight Technologies等模擬工具提供商的合作導(dǎo)致了模型精度改進(jìn)的工具和方法。在他們的研究1中，作者展示了從兩個不同供應(yīng)商提取和驗(yàn)證IGBT和二極管模型(圖1)，利用Keysight的工具，無需預(yù)先了解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

提取工作流程

提取IGBT和二極管模型需要通常在器件數(shù)據(jù)表中不可用的詳細(xì)數(shù)據(jù)。對于IGBT，關(guān)鍵參數(shù)包括傳輸特性、集電極-發(fā)射極電壓相關(guān)的輸入/輸出電容和反向傳輸電容。對于二極管，必須表征輸出特性和電壓相關(guān)的電容。此外，溫度依賴性是這些模型中的關(guān)鍵因素，需要在不同的溫度下進(jìn)行測量。

本文描述的工作流程依賴于使用功率器件分析儀(Keysight B1505A)收集必要的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Keysight的IC-CAP軟件進(jìn)行參數(shù)擬合。同時使用靜態(tài)和動態(tài)測量，使用雙脈沖測試來捕獲二極管中的反向恢復(fù)和IGBT的開關(guān)特性等瞬態(tài)行為。

圖2展示了在不同工作點(diǎn)(包括不同IGBT模型的輸出特性、電壓相關(guān)電容和開關(guān)瞬態(tài))上，測量數(shù)據(jù)(虛線)和模型數(shù)據(jù)(實(shí)線)之間的高度一致性。

評估標(biāo)準(zhǔn)

在半導(dǎo)體建模中，模型的準(zhǔn)確性通常通過其預(yù)測開關(guān)損耗的能力來判斷。然而，僅關(guān)注損耗可能會掩蓋器件行為的其他關(guān)鍵方面，例如過壓條件、電流共享以及寄生元件的影響。

研究1提出了13個不同的評估標(biāo)準(zhǔn)，以評估IGBT和二極管的瞬態(tài)模擬精度。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了IGBT開關(guān)和關(guān)斷事件的關(guān)鍵參數(shù)，以及二極管的反向恢復(fù)行為。

一些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括：

開關(guān)和關(guān)斷期間的di/dt誤差：它測量IGBT中的電流變化率，這直接影響損耗和系統(tǒng)可靠性

峰值集電極電流誤差：它評估模型在預(yù)測開關(guān)事件期間的峰值電流的準(zhǔn)確性，該參數(shù)受二極管反向恢復(fù)特性的影響

電壓平臺誤差：它評估模型在開關(guān)期間電壓上升的準(zhǔn)確性，這對于理解過壓行為至關(guān)重要

結(jié)果和誤差調(diào)查

為了評估所提出模型的準(zhǔn)確性，對三個IGBT模型的192個工作點(diǎn)進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，這些模型實(shí)現(xiàn)了令人滿意的準(zhǔn)確性，開關(guān)損耗的誤差通常在高壓工作點(diǎn)為±7%，在低壓區(qū)域?yàn)椤?5%。di/dt誤差在低壓時為-8%，在高壓時為+18%，反映了在極端條件下準(zhǔn)確模擬瞬態(tài)行為的固有挑戰(zhàn)。

為了可視化誤差數(shù)據(jù)，介紹了幾種方法，包括繪制誤差分布和使用直方圖來揭示特定范圍內(nèi)的誤差頻率。這些可視化表明，大多數(shù)工作點(diǎn)在設(shè)計目的的誤差范圍內(nèi)，盡管在某些領(lǐng)域，如反向恢復(fù)行為和動態(tài)開關(guān)特性方面，需要改進(jìn)。

結(jié)論和展望

這項(xiàng)工作1代表了半導(dǎo)體建模方面的一大進(jìn)步，使開發(fā)更準(zhǔn)確和靈活的模型成為可能，這些模型可用于電力電子系統(tǒng)的虛擬設(shè)計。通過結(jié)合靜態(tài)和動態(tài)測量，工程師可以生成模型，這些模型允許對不同的功率模塊設(shè)計和工作條件進(jìn)行詳細(xì)比較。

盡管當(dāng)前的模型展示了良好的準(zhǔn)確性，但為了實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)優(yōu)化，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。特別是，需要在開關(guān)損耗、動態(tài)行為和門極驅(qū)動器配置的虛擬調(diào)整方面進(jìn)行改進(jìn)。