機(jī)控制應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在選擇恰當(dāng)?shù)墓β誓K時(shí)，常常一籌莫展。為此，各供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)基于行為模型的新技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)集成功率模塊的性能仿真，從而幫助設(shè)計(jì)人員迅速確定最能滿足應(yīng)用要求的功率模塊。

在家用電器和輕工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用中，采用電子調(diào)速的三相感應(yīng)式電機(jī)可實(shí)現(xiàn)功率的優(yōu)化。為加快電子調(diào)速的設(shè)計(jì)并提高成本效益，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用先進(jìn)的集成運(yùn)動(dòng)控制模塊。但設(shè)計(jì)工程師們難于選擇最合適的模塊和周邊元件，以及確定臨界的運(yùn)行極限。為幫助設(shè)計(jì)人員迅速確定最能滿足應(yīng)用要求的模塊，各供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)基于行為模型的新技術(shù)。

功率模塊選擇

由于電機(jī)控制器中采用的脈寬調(diào)制(PWM)和空間矢量調(diào)制(SVM)技術(shù)十分復(fù)雜，且難以仿真，使設(shè)計(jì)工程師難以選擇恰當(dāng)?shù)墓β誓K，而造成這些困難的根本原因是因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)的變化范圍太大(從低于1毫秒的開(kāi)關(guān)時(shí)間到若干秒的熱效應(yīng)時(shí)間)。

通常采用的Spice模型并不適合用來(lái)解決這類問(wèn)題，這是因?yàn)镾pice模型需要很長(zhǎng)的仿真時(shí)間。并且為得到準(zhǔn)確的功耗計(jì)算精度，Spice模型的技術(shù)復(fù)雜度、建模時(shí)間和仿真時(shí)間都會(huì)相應(yīng)增加，從而需要控制模塊供應(yīng)商提供更多的技術(shù)支持。

國(guó)際整流器公司并沒(méi)有采用此類方法，而是發(fā)展更加準(zhǔn)確的新模型。通過(guò)采用這些模型，設(shè)計(jì)工程師可以更清楚地從仿真中知道某個(gè)模塊是如何工作的。

行為模型

通常設(shè)計(jì)工程師需要評(píng)估功耗，并在選擇功率模塊時(shí)確保其具有相匹配的額定電流。此外，還需要保證相對(duì)于功率晶體管接點(diǎn)溫度的足夠的熱安全余量。作為物理模型的可行替代方案，行為模型并不需要表現(xiàn)各種硅器件的內(nèi)部工作情況，而只有分析系統(tǒng)時(shí)所需要的輸入/輸出，如同一個(gè)“黑盒子”。

通過(guò)下面的等式，這些模型可用來(lái)計(jì)算傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗：

VCEON=VT+a.Ib
VF=VTD+ad.Ibd
EON=(h1+h21x)Ik
EOFF=(m1+m21y)In
EDIODE=d1.Id2

假定開(kāi)關(guān)損耗與總線電壓呈線性變化。在上述方程式中，當(dāng)VBUS=400V、TJ=150℃時(shí)，右邊的參數(shù)是在不同的電流條件下對(duì)測(cè)量值采用曲線逼近法所獲得的，且驅(qū)動(dòng)器/RG內(nèi)置于功率模塊。

行為模型往往十分準(zhǔn)確，特別是當(dāng)實(shí)際條件接近測(cè)量條件時(shí)。在過(guò)去幾年中，我們已運(yùn)用這些模型來(lái)定義新產(chǎn)品和準(zhǔn)備IGBT產(chǎn)品的技術(shù)文檔。

熱行為建模

在考慮熱模型時(shí)，雖然現(xiàn)有的基于有限元分析(FEA)工具的物理模型比較準(zhǔn)確，但仍需要很長(zhǎng)的仿真時(shí)間。采用類似于對(duì)電特性建模的方法，就可以建立一個(gè)行為模型，該模型不包含熱堆疊(thermal stack)內(nèi)部工作的具體信息。

首先用FEA工具計(jì)算功率模塊的步進(jìn)響應(yīng)(step response)。通過(guò)將功耗在逆變器的6個(gè)IGBT和6個(gè)二極管之間分配，因而已將硅片相互之間的熱影響計(jì)算在內(nèi)。一般情況下，85%的損耗產(chǎn)生在IGBT，15%的損耗產(chǎn)生在二極管，例如我們的IMOTION PlugnDrive系列的功率模塊。

其次，步進(jìn)響應(yīng)的規(guī)格化曲線是熱阻曲線，它連最差的IGBT的熱損耗情況都能如實(shí)反映，因而是有效的熱行為模型。熱阻曲線可以通過(guò)FEA工具來(lái)獲得。

行為建模策略

行為建模的目的是計(jì)算功耗和接點(diǎn)溫度，并用這個(gè)信息反過(guò)來(lái)得出該模型在特定應(yīng)用下的最高電流值。在逆變器配置中，IGBT和二極管根據(jù)調(diào)制技術(shù)、功率因子和調(diào)制指數(shù)來(lái)分享電流，在純正弦調(diào)制條件下可以計(jì)算出平均功耗的一個(gè)閉合解。該方法在電機(jī)的工作頻率足夠高(>50Hz)時(shí)有效，因此由非恒定功耗造成的接點(diǎn)溫度的波動(dòng)變化可以忽略。

但是，由逆變器控制的電機(jī)通常都工作于較低的頻率。并且包括SVM在內(nèi)的不同的調(diào)制技術(shù)，要求一整套全新的方程式，甚至連一個(gè)閉合解都可能不存在。很明顯，這需要尋找另外的方法。

計(jì)算接點(diǎn)溫度的波動(dòng)是克服這些局限必要的第一步。同樣，功耗也沒(méi)有用閉合方程來(lái)計(jì)算。下面的方法使用了：

在半個(gè)調(diào)制周期內(nèi)計(jì)算功耗
在假定電流恒定的條件下(在開(kāi)關(guān)周期內(nèi))，計(jì)算開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗
節(jié)省了半個(gè)調(diào)制頻率期間的最大功耗
但是，由于使用的熱模型是基于熱阻曲線，熱模型的微分方程上的參數(shù)是未知的，因此功耗的原形波形不能用來(lái)計(jì)算接點(diǎn)溫度。相反，由于熱阻曲線表示的是接點(diǎn)溫度，因此當(dāng)器件的功耗為一連串重復(fù)方形脈沖并采用下列假設(shè)時(shí)，總功耗的波形接近于一連串方形波：
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這半個(gè)調(diào)制周期上的方波的平均值
通過(guò)給熱堆疊建立一個(gè)RC梯形模型，然后采用Pspice來(lái)求解，這個(gè)假設(shè)可以得到一個(gè)十分準(zhǔn)確的結(jié)果。事實(shí)上，這個(gè)結(jié)果所產(chǎn)生的微小誤差可以提高安全性，反過(guò)來(lái)得到一個(gè)略高的安全余量�；谏厦娴乃悸�，就能計(jì)算出特定功率模塊在特定應(yīng)用條件下提供給電機(jī)的最高電流。采用下列假設(shè)可以生成電流曲線： <