华北电力大学黄华震、仝涵 等：考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型对电磁干扰预测的影响分析
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卢铁兵
华北电力大学教授，博士生导师。研究方向为电磁环境和先进输电技术，主要进行直流输电线路电晕放电及其电磁环境效应、柔性输电系统的电磁暂态和电磁兼容研究。主持4项国家自然科学基金、1项国家重点研发计划课题，获省部级奖励3项。
黄华震
华北电力大学博士研究生，研究方向为电力电子器件的EMI特性及抑制措施。
本文提出了一种考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型，分析了回路寄生参数和器件非线性电容对开关特性的影响，分别计算了不同阶段的电流和电压变化率。电流模型重点分析了开通振荡过程，能够有效地揭示振荡引入的EMI峰值特性；IGBT的栅极-集电极电容是影响电压频谱的关键因素，基于预测精度和模型复杂度的综合考虑，建议采用电容三段等效模型进行电压建模预测。所提出的模型可用于实际换流器的EMI水平评估。
项目研究背景
IGBT逐渐成为电力电子的主流器件，在直流输电工程等领域都得到了广泛应用。然而，IGBT器件开关过程会产生快速变化的电压和电流，其上升沿和下降沿包含很多高频成分，通过传导和辐射耦合会产生不可忽略的电磁干扰（EMI）问题。随着柔性直流输电技术和电网建设的发展，更高电压、更大容量的IGBT会带来更为复杂的EMI问题。
建立有效的电磁干扰模型预测换流系统的电磁干扰水平是非常必要的。IGBT的快速开关动作是功率换流器电磁干扰的主要来源，而开关过程的di/dt和du/dt是决定电磁干扰发射水平的关键参数。此外，回路中寄生电感与电容的相互作用会在IGBT开关过程中引入高频振荡，使得EMI问题更为严重。
论文所解决的问题及意义
本文按照不同的时间阶段对IGBT的开关暂态波形进行建模分析，分别计算了不同阶段的di/dt和du/dt。为了有效地反映寄生振荡现象对EMI特性的影响，模型中考虑了IGBT的开通振荡过程。通过实验，验证了电压电流分段模型可有效用于IGBT开关过程的EMI特性预测，并分析了寄生振荡和栅极-集电极电容Cgc对频谱特性的影响。
本文提出的干扰源模型与实际换流器模型相结合，可以有效分析换流器在不同应用条件下的EMI水平，评估换流器的电磁兼容性能。
论文方法及创新点
IGBT开关过程在不同阶段的di/dt和du/dt会对EMI水平有不同程度的影响。建立了IGBT的开关暂态过程详细模型，分阶段计算了IGBT的电压和电流变化率。电流模型考虑了详细的电流开通振荡过程，建立了时域波形与振荡频点附近EMI峰值的关联关系。电压上升过程受到器件栅极-集电极电容的影响，通过合理考虑精度与复杂度的平衡，电容分阶段离散模型可用于电压上升率的有效分析。
图1 IGBT分段开关波形
搭建了二极管钳位感性负载测试平台，获得了IGBT的开关暂态波形，验证了模型对实测电流和电压波形频谱的预测精度。寄生振荡会对电流波形频谱的高频分量造成较大的影响，不考虑振荡的电流模型频谱会丢失振荡频点出现的电流频谱峰值。分段电压模型的频谱在4-40MHz频率范围内比实际波形高出几dB到10dB，这主要是由Cgc的差异造成的，通过增加Cgc模型的分段数可以提高模型的预测精度，同时也增加了模型复杂度，因此建议采用三段等效模型。实验验证了模型的有效性。
图2 实验与模型的频谱对比
结论
（1）分段电流模型与IGBT实际电流频谱差异很小，能够有效地预测电流特性，合理考虑电流频谱在振荡频点出现的峰值，对振荡引入的EMI峰值进行预判。
（2）分段电压模型能够有效地预测IGBT实际电压频谱特性。采用多个离散电容等效Cgc会显著提高实际电压频谱的预测精度，但是也提高了模型的复杂程度。三段Cgc等效模型可有效分析IGBT电压骚扰特性。
引用本文
黄华震, 仝涵, 王宁燕, 卢铁兵. 考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型对电磁干扰预测的影响分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(12): 2434-2445. Huang Huazhen, Tong Han, Wang Ningyan, Lu Tiebing. Analysis of the Influence of IGBT Segmented Transient Model with Parasitic Oscillation on Electromagnetic Interference Prediction. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2434-2445.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201416