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體器件的能力，這些器件在確定設備的電氣特性、熱管理、控制復雜性和整體效率方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

虛擬設計方法的興起為優(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計變化。

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

開發(fā)優(yōu)化的功率模塊需要大量的設計迭代和原型測試，這將開發(fā)過程延長了相當長的時間。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。

當前虛擬設計工作流程和挑戰(zhàn)概述

已經(jīng)提出了幾種用于優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的虛擬設計工作流程，所有這些工作流程都嚴重依賴于瞬態(tài)電氣模擬來準確模擬半導體開關(guān)行為。這些模擬提供了對半導體晶圓上的電流分布和設備損耗等關(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，要實現(xiàn)這樣的模擬，需要高度精確的半導體器件模型。一些供應商提供這些模型，但必須針對每個新設計、工作點和系統(tǒng)配置驗證其準確性。半導體器件本質(zhì)上很復雜，不能完全通過簡化的模型來表示，否則會犧牲準確性。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)成為標準。盡管英飛凌科技等供應商提供了緊湊模型，但它們的準確性僅限于某些工作點，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致了模型精度改進的工具和方法。在他們的研究1中，作者展示了從兩個不同供應商提取和驗證IGBT和二極管模型(圖1)，利用Keysight的工具，無需預先了解器件的內(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)導入Keysight的IC-CAP軟件進行參數(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(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)(實線)之間的高度一致性。

評估標準

在半導體建模中，模型的準確性通常通過其預測開關(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個不同的評估標準，以評估IGBT和二極管的瞬態(tài)模擬精度。這些標準涵蓋了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行為。

一些關(guān)鍵標準包括：

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：它評估模型在預測開關(guān)事件期間的峰值電流的準確性，該參數(shù)受二極管反向恢復特性的影響

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確性，對三個IGBT模型的192個工作點進行了評估。結(jié)果表明，這些模型實現(xiàn)了令人滿意的準確性，開關(guān)損耗的誤差通常在高壓工作點為±7%，在低壓區(qū)域為±25%。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)工作點在設計目的的誤差范圍內(nèi)，盡管在某些領(lǐng)域，如反向恢復行為和動態(tài)開關(guān)特性方面，需要改進。

結(jié)論和展望

這項工作1代表了半導體建模方面的一大進步，使開發(fā)更準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計和工作條件進行詳細比較。

盡管當前的模型展示了良好的準確性，但為了實現(xiàn)完整的系統(tǒng)優(yōu)化，還需要進一步的改進。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)整方面進行改進。