简化运动控制应用的功率模块选择

电机控制应用的系统设计师在选择恰当的功率模块时，常常一筹莫展。为此，各供应商正在开发基于行为模型的新技术，来实现对集成功率模块的性能仿真，从而帮助设计人员迅速确定最能满足应用要求的功率模块。

在家用电器和轻工业设备等应用中，采用电子调速的三相感应式电机可实现功率的优化。为加快电子调速的设计并提高成本效益，系统设计人员开始采用先进的集成运动控制模块。但设计工程师们难于选择最合适的模块和周边元件，以及确定临界的运行极限。为帮助设计人员迅速确定最能满足应用要求的模块，各供应商正在开发基于行为模型的新技术。

功率模块选择

由于电机控制器中采用的脉宽调制(PWM)和空间矢量调制(SVM)技术十分复杂，且难以仿真，使设计工程师难以选择恰当的功率模块，而造成这些困难的根本原因是因为时间常数的变化范围太大(从低于1毫秒的开关时间到若干秒的热效应时间)。

通常采用的Spice模型并不适合用来解决这类问题，这是因为Spice模型需要很长的仿真时间。并且为得到准确的功耗计算精度，Spice模型的技术复杂度、建模时间和仿真时间都会相应增加，从而需要控制模块供应商提供更多的技术支持。

国际整流器公司并没有采用此类方法，而是发展更加准确的新模型。通过采用这些模型，设计工程师可以更清楚地从仿真中知道某个模块是如何工作的。

行为模型

通常设计工程师需要评估功耗，并在选择功率模块时确保其具有相匹配的额定电流。此外，还需要保证相对于功率晶体管接点温度的足够的热安全余量。作为物理模型的可行替代方案，行为模型并不需要表现各种硅器件的内部工作情况，而只有分析系统时所需要的输入/输出，如同一个“黑盒子”。

通过下面的等式，这些模型可用来计算传导损耗和开关损耗：

V_CEON=V_T+a.I^b

V_F=V_TD+ad.I^bd

E_ON=(h1+h21^x)I^k

E_OFF=(m1+m21^y)Iⁿ

E_DIODE=d1.I^d2

假定开关损耗与总线电压呈线性变化。在上述方程式中，当V_BUS=400V、T_J=150℃时，右边的参数是在不同的电流条件下对测量值采用曲线逼近法所获得的，且驱动器/R_G内置于功率模块。

行为模型往往十分准确，特别是当实际条件接近测量条件时。在过去几年中，我们已运用这些模型来定义新产品和准备IGBT产品的技术文档。

热行为建模

在考虑热模型时，虽然现有的基于有限元分析(FEA)工具的物理模型比较准确，但仍需要很长的仿真时间。采用类似于对电特性建模的方法，就可以建立一个行为模型，该模型不包含热堆叠(thermal stack)内部工作的具体信息。

首先用FEA工具计算功率模块的步进响应(step response)。通过将功耗在逆变器的6个IGBT和6个二极管之间分配，因而已将硅片相互之间的热影响计算在内。一般情况下，85%的损耗产生在IGBT，15%的损耗产生在二极管，例如我们的IMOTION PlugnDrive系列的功率模块。

其次，步进响应的规格化曲线是热阻曲线，它连最差的IGBT的热损耗情况都能如实反映，因而是有效的热行为模型。热阻曲线可以通过FEA工具来获得。

行为建模策略

行为建模的目的是计算功耗和接点温度，并用这个信息反过来得出该模型在特定应用下的最高电流值。在逆变器配置中，IGBT和二极管根据调制技术、功率因子和调制指数来分享电流，在纯正弦调制条件下可以计算出平均功耗的一个闭合解。该方法在电机的工作频率足够高(>50Hz)时有效，因此由非恒定功耗造成的接点温度的波动变化可以忽略。

但是，由逆变器控制的电机通常都工作于较低的频率。并且包括SVM在内的不同的调制技术，要求一整套全新的方程式，甚至连一个闭合解都可能不存在。很明显，这需要寻找另外的方法。

计算接点温度的波动是克服这些局限必要的第一步。同样，功耗也没有用闭合方程来计算。下面的方法使用了：

在半个调制周期内计算功耗

在假定电流恒定的条件下(在开关周期内)，计算开关周期内的传导和开关损耗

节省了半个调制频率期间的最大功耗

但是，由于使用的热模型是基于热阻曲线，热模型的微分方程上的参数是未知的，因此功耗的原形波形不能用来计算接点温度。相反，由于热阻曲线表示的是接点温度，因此当器件的功耗为一连串重复方形脉冲并采用下列假设时，总功耗的波形接近于一连串方形波：

器件的峰值功耗等于方形波的峰值

器件的平均功耗等于在这半个调制周期上的方波的平均值

通过给热堆叠建立一个RC梯形模型，然后采用Pspice来求解，这个假设可以得到一个十分准确的结果。事实上，这个结果所产生的微小误差可以提高安全性，反过来得到一个略高的安全余量。基于上面的思路，就能计算出特定功率模块在特定应用条件下提供给电机的最高电流。采用下列假设可以生成电流曲线：

条件温度假定为恒温(如100℃)

最高电流是引起接点温度达到最高允许值(如150°C)的电流

特定调制技术(正弦或空间矢量调制)和特定的工作参数(功率因子，调制指数)

电流值是以开关频率的函数形式给出，如图1所示，该曲线反映了开关损耗的影响。电流容量也能以电机调制频率的函数形式给出(见图2)。图2的曲线是在恒定开关频率条件下得到的，该曲线显示了接点温度的波动。在较低的调制频率下，接点温度的波动增加，引起功率模块的电流值降低，使接点温度峰值不超过预设极限，在这里假定为150℃。

分流电阻的功耗

在典型的电机驱动应用中，分流电阻器用来提供电流反馈和过流保护。分流电阻器通常放在低端总线上，流过该电阻器的电流波形取决于所采用的调制技术。在设计电机驱动时，确定分流电阻器的功耗很重要。通常很难找到一个联系RMS相电流和分流电阻中RMS电流的公式。但是，可以用一个简单模型，并在最通用的工作条件下通过几次调制就能实现这个公式。

图3为采用不同控制策略和调制参数进行几次仿真的结果，最坏的情况出现在用具有高功率因子和调制指数的空间矢量调制时。在这种情况下，分流电阻中的RMS电流会比电机里的RMS电流高23%。这个结果可以用来评估分流电阻器最差的功耗情况。注意在实际应用中，调制指数和功率因子不能是整数。

分流电阻器也能与低端IGBT发射极串联。在这种结构中，分流电阻里的RMS电流与功率因子和调制指数无关，各相的电流值比RMS电流少29%。

基于PC的选择工具

总之，集成功率模块的性能可以通过行为模型迅速进行仿真，并且容易实现。该技术的结果是返回正弦RMS电流值，比典型的DC值更有用，因为它显示了功率模块在真实应用情况下的容量。然而，用户通常并不能将其实际的情况完全对应到标准数据手册中。

为此，我们正在创建一种让客户迅速重新计算其电流值曲线的工具，用户通过该工具弹出的对话窗口输入参数就可以计算出电流值。该工具最初将支持IRAM PlugnDrive系列功率模块，未来设计工程师在设计高效率三相感应电机时可以轻易地实现最佳的电机控制模块。

作者：Andrea Gorgerino

Alberto Guerra

国际整流器公司