一种IGBT驱动模块EMI建模方法与流程

一种igbt驱动模块emi建模方法
技术领域
1.本发明涉及igbt建模方法技术领域，更具体地，涉及一种igbt驱动模块emi建模方法。


背景技术：

2.igbt(insulated gate bipolar transistor)为绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；mosfet驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
3.igbt作为开关管，伴随着快速变化的电压和电流，极容易产生电磁干扰。同时，igbt往往通过大电流以及高电压，在工作时伴随着发热现象。造成igbt驱动系统温度较高，为了igbt的正常工作以及提高使用寿命，需要给igbt增加散热板以保持igbt工作温度在稳定范围内。这样一来，不可避免地在igbt与散热板(heat sink)之间引入了寄生电容，此时，igbt产生的高频干扰主要通过该寄生电容提供的共模路径向外传播。如果对igbt进行建模时不考虑此高频通道，则会使包含igbt元器件的电子系统的emc仿真分析结果不准确。
4.现有技术公开了一种适用于大功率igbt的宽频建模方法，提出了测量igbt模块的集电极和发射极之间在施加不同正向偏置电压下的阻抗特性并记录阻抗特性曲线，采用矢量拟合法计算集电极和发射极之间的电路参数并搭建等效电路。该方法的缺陷是，现有技术对igbt模块在集电极与发射极之间建立等效电路，无法建立igbt各端口之间与散热片之间的等效电路，不能提供igbt产生的高频干扰的共模路径，因此相对于本专利不能提高igbt建模的准确性。
5.现有技术还公开了一种用于电磁干扰计算机仿真的igbt模型，包括igbt正向导通部分模型和反并联二极管部分模型，两部分模型共同包含一个由电阻r
c35
和电容c
35
串联构成的支路。该方法的缺陷是，该方法用于电力电子设备和系统emi仿真预测的igbt行为模型，包括igbt正向导通部分模型和反并联二极管部分模型，但没有考虑到igbt实际运用时会使用散热片，因而没有考虑到igbt与散热片之间的寄生参数与等效电路，不能提高igbt建模的准确性。
6.为此，结合以上需求和现有技术缺陷，本技术提出了一种igbt驱动模块emi建模方法。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种igbt驱动模块emi建模方法，引入了igbt各极对散热板的寄生参数，能够提高igbt驱动板emi建模的准确性，为含有igbt的产品在前期进行电磁兼容仿真与分析时提供更准确的igbt的emi模型。
8.本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
9.本发明第一方面提供了一种igbt驱动模块emi建模方法，本方法包括以下步骤：
10.s1、根据igbt数据手册定位一个桥臂上的igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板阻抗测试位置并进行阻抗分析，分别得到每个电极散热板的阻抗参数。
11.s2、根据阻抗参数计算所述igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板的寄生参数。
12.s3、根据所得寄生参数构建igbt的集电极、发射极和栅极中选择任一极对散热片的阻抗仿真电路。
13.s4、通过阻抗测试获得步骤s3所选电极的对地阻抗测试结果，根据阻抗测试结果对所述阻抗仿真电路进行仿真验证，验证通过则进行下一步，验证不通过则重新执行步骤s3。
14.s5、重复步骤s3和s4直至完成该桥臂上所有寄生参数计算并验证完毕。
15.s6、重复步骤s1-s5，完成所有桥臂的寄生参数计算，将所有桥臂的寄生参数输入电路仿真软件，建立igbt驱动模块emi模型。
16.进一步的，所述igbt驱动模块emi模型包括三个桥臂，每个所述桥臂包括两个igbt模块，共六个igbt模块；所述igbt驱动模块emi模型将6路igbt驱动信号分配到每个igbt模块的栅极。
17.进一步的，步骤s1中所述阻抗分析具体为：利用阻抗分析仪测试所述igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板的阻抗参数；具体为：校准阻抗分析仪的开路、短路和高频特性，设置阻抗测试扫描参数，将阻抗分析仪的探测端设置在目标端口，得到阻抗幅频特性曲线f-|z|和相频特性曲线f-phase。
18.进一步的，所述设置阻抗测试扫描参数包括有：设置扫频范围为20hz—108mhz，设置扫描频点为1600个，设置对数扫描模式。
19.进一步的，所述寄生参数包括有：寄生电容、寄生电感和寄生电阻。
20.进一步的，所述寄生电容的计算方式具体为：
21.c
c1-gnd
＝1/(2πf1z1)
22.其中，c
c1-gnd
为寄生电容值；f1为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近-90
°
的频率；z1为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近-90
°
的阻抗幅值。
23.进一步的，所述寄生电阻和寄生电感的计算方式具体为：
24.r
c1-gnd
＝z2ω
25.l
c1-gnd
＝((1/(2πf2))^2)/c
c1-gnd
26.其中，r
c1-gnd
为寄生电阻值，其取值为阻抗相位角为-180
°
时的阻抗幅值；c
c1-gnd
为寄生电容值；f2为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近180
°
的频率；z2为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近180
°
的阻抗幅值。
27.进一步的，所述步骤s3和s4具体为：将测得的寄生参数输入电路仿真软件，搭建阻抗仿真电路并进行仿真测试，将仿真结果与阻抗测试结果进行对比；若对比误差小于预设值，则进行下一步；若对比误差大于预设值，则检查阻抗测试过程与仿真过程是否存在误差，并重新进行测试和对比直至对比误差小于预设值。
28.进一步的，所述步骤s6具体为：将三个桥臂中共六个igbt模块的各端口对散热板的阻抗检测完成后，计算寄生参数并对比验证后，将寄生参数输入至电路仿真软件，将6路igbt驱动信号作为输入分配至每个igbt模块的栅极，完成igbt驱动模块emi模型的建立。
29.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
30.本发明提供了一种igbt驱动模块emi建模方法，根据igbt数据手册定位igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板、igbt栅极-散热板阻抗测试位置，使用阻抗分析仪对各端口阻抗进行测试，利用电容计算公式、rlc谐振计算公式获取igbt各极对散热板的寄生电容、寄生电感和寄生电阻，在已建立的igbt模型的基础上，添加igbt集电极-散热板电容和igbt各极对散热板的寄生参数以建立igbt驱动模块emi模型，为含有igbt的产品在前期进行电磁兼容仿真与分析时提供辅助。
附图说明
31.图1为本发明一种igbt驱动模块emi建模方法的流程图。
32.图2为本发明一种实施例中进行阻抗检测的示意图。
33.图3为本发明中一个桥臂上igbt模块对散热片地寄生参数结构示意图。
34.图4为本发明一个实施例中集电极c1与散热板gnd位置的阻抗特性曲线图。
35.图5为本发明一个实施例中igbt栅极对地的阻抗仿真电路。
36.图6为本发明一个实施例中栅极阻抗仿真电路仿真结果与实际测得的阻抗特性曲线的对比图。
37.图7为本发明一个实施例中igbt驱动模块emi模型的示意图。
具体实施方式
38.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
40.实施例1
41.如图1所示，本发明提供了一种igbt驱动模块emi建模方法，本方法包括以下步骤：
42.s1、根据igbt数据手册定位一个桥臂上的igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板阻抗测试位置并进行阻抗分析，分别得到每个电极散热板的阻抗参数。
43.s2、根据阻抗参数计算所述igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板的寄生参数。
44.s3、根据所得寄生参数构建igbt的集电极、发射极和栅极中选择任一极对散热片的阻抗仿真电路。
45.s4、通过阻抗测试获得步骤s3所选电极的对地阻抗测试结果，根据阻抗测试结果对所述阻抗仿真电路进行仿真验证，验证通过则进行下一步，验证不通过则重新执行步骤
s3。
46.s5、重复步骤s3和s4直至完成该桥臂上所有寄生参数计算并验证完毕。
47.s6、重复步骤s1-s5，完成所有桥臂的寄生参数计算，将所有桥臂的寄生参数输入电路仿真软件，建立igbt驱动模块emi模型。
48.进一步的，所述igbt驱动模块emi模型包括三个桥臂，每个所述桥臂包括两个igbt模块，共六个igbt模块；所述igbt驱动模块emi模型将6路igbt驱动信号分配到每个igbt模块的栅极。
49.进一步的，如图2所示，步骤s1中所述阻抗分析具体为：利用阻抗分析仪测试所述igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板的阻抗参数；具体为：校准阻抗分析仪的开路、短路和高频特性，设置阻抗测试扫描参数，将阻抗分析仪的探测端设置在目标端口，得到阻抗幅频特性曲线f-|z|和相频特性曲线f-phase。
50.在一个具体的实施例中，进行测试的过程具体为：
51.1)将阻抗分析仪布置在工作台上，安装配套夹具在阻抗分析仪的输入通道上，固定，接通电源，开机。
52.2)将夹具的探测端分别开路、夹持四种类型校准元件，分别对夹具的开路、短路以及高频特性进行自动校准，校准通过后进行下一步。
53.3)进入阻抗测试界面，设置扫频范围为20hz—108mhz，扫描频点1600个(点数已最大)，选择对数扫描。
54.4)使用夹具的探测端(端口不分正负)夹持各目标端口，夹紧。
55.5)此时阻抗测试回路已连接好，使用阻抗分析仪，按trigger键，开始自动扫描，获取各目标测试端口的阻抗幅频特性曲线f-|z|和相频特性曲线f-phase，并保存数据。
56.进一步的，所述设置阻抗测试扫描参数包括有：设置扫频范围为20hz—108mhz，设置扫描频点为1600个，设置对数扫描模式。
57.在一个具体的实施例中，一个桥臂上igbt集电极c1与散热板gnd位置的阻抗特性曲线图如图4所示。
58.进一步的，所述寄生参数包括有：寄生电容、寄生电感和寄生电阻，其中，一个桥臂上igbt模块对散热片地寄生参数结构如图3所示。
59.进一步的，所述寄生电容的计算方式具体为：
60.c
c1-gnd
＝1/(2πf1z1)
61.其中，c
c1-gnd
为寄生电容值；f1为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近-90
°
的频率；z1为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近-90
°
的阻抗幅值。
62.进一步的，所述寄生电阻和寄生电感的计算方式具体为：
63.r
c1-gnd
＝z2ω
64.l
c1-gnd
＝((1/(2πf2))^2)/c
c1-gnd
65.其中，r
c1-gnd
为寄生电阻值，其取值为阻抗相位角为-180
°
时的阻抗幅值；c
c1-gnd
为寄生电容值；f2为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近180
°
的频率；z2为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近180
°
的阻抗幅值。
66.进一步的，所述步骤s3和s4具体为：将测得的寄生参数输入电路仿真软件，搭建阻抗仿真电路并进行仿真测试，将仿真结果与阻抗测试结果进行对比；若对比误差小于预设
值，则进行下一步；若对比误差大于预设值，则检查阻抗测试过程与仿真过程是否存在误差，并重新进行测试和对比直至对比误差小于预设值。
67.进一步的，所述步骤s6具体为：将三个桥臂中共六个igbt模块的各端口对散热板的阻抗检测完成后，计算寄生参数并对比验证后，将寄生参数输入至电路仿真软件，将6路igbt驱动信号作为输入分配至每个igbt模块的栅极，完成igbt驱动模块emi模型的建立。
68.实施例2
69.基于上述实施例1，结合图5-图6，本实施例详细阐述其中一个桥臂上igbt栅极阻抗仿真电路仿真结果与实际测得的阻抗特性曲线的对比。
70.在一个具体的实施例中，根据一个桥臂上igbt栅极的寄生参数构建如图5所示的阻抗仿真电路，经仿真后与实际测得的栅极阻抗特性曲线做如图6所示的对比，可以看出曲线大致吻合，可以认为仿真所用的寄生参数与实际情况相符合。
71.实施例3
72.基于上述实施例1和实施例2，结合图7，本实施例详细阐述构建igbt驱动模块emi模型的过程。
73.获取一个桥臂上其余所有的寄生参数值如下表所示。
[0074][0075]
本实施例一共包括3个桥臂，其余两个桥臂对散热板寄生参数与这一桥臂一致，使用所述寄生参数输入至电路设计软件，将6路igbt驱动信号分配到每个igbt栅极，最后完成
igbt驱动模块emi模型的建立，构建如图7所示的igbt驱动模块emi模型。
[0076]
附图中描述结构位置关系的图标仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
[0077]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、定位一个桥臂上的igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板阻抗测试位置并进行阻抗分析，分别得到每个电极散热板的阻抗参数；s2、根据阻抗参数计算所述igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板的寄生参数；s3、根据所得寄生参数构建所述igbt的集电极、发射极和栅极中选择任一极对散热片的阻抗仿真电路；s4、通过阻抗测试获得步骤s3所选电极的对地阻抗测试结果，根据阻抗测试结果对所述阻抗仿真电路进行仿真验证，验证通过则进行下一步，验证不通过则重新执行步骤s3；s5、重复步骤s3和s4直至完成该桥臂上所有寄生参数计算并验证完毕；s6、重复步骤s1-s5，完成所有桥臂的寄生参数计算，将所有桥臂的寄生参数输入电路仿真软件，建立igbt驱动模块emi模型。2.根据权利要求1所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述定位一个桥臂上的igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板阻抗测试位置具体为：根据igbt数据手册定位一个桥臂上的igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板阻抗测试位置。3.根据权利要求1所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述igbt驱动模块emi模型包括三个桥臂，每个所述桥臂包括两个igbt模块，共六个igbt模块；所述igbt驱动模块emi模型将6路igbt驱动信号分配到每个igbt模块的栅极。4.根据权利要求1所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，步骤s1中所述阻抗分析具体为：利用阻抗分析仪测试所述igbt集电极-散热板、igbt发射极-散热板和igbt栅极-散热板的阻抗参数；校准阻抗分析仪的开路、短路和高频特性，设置阻抗测试扫描参数，将阻抗分析仪的探测端设置在目标端口，得到阻抗幅频特性曲线f-|z|和相频特性曲线f-phase。5.根据权利要求4所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述设置阻抗测试扫描参数包括有：设置扫频范围为20hz—108mhz，设置扫描频点为1600个，设置对数扫描模式。6.根据权利要求5所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述寄生参数包括有：寄生电容、寄生电感和寄生电阻。7.根据权利要求6所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述寄生电容的计算方式具体为：c
c1-gnd
＝1/(2πf1z1)其中，c
c1-gnd
为寄生电容值；f1为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近-90
°
的频率；z1为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近-90
°
的阻抗幅值。8.根据权利要求7所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述寄生电阻和寄生电感的计算方式具体为：r
c1-gnd
＝z2ωl
c1-gnd
＝((1/(2πf2))^2)/c
c1-gnd
其中，r
c1-gnd
为寄生电阻值，其取值为阻抗相位角为-180
°
时的阻抗幅值；c
c1-gnd
为寄生
电容值；f2为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近180
°
的频率；z2为所述阻抗幅频特性曲线f-|z|中最接近180
°
的阻抗幅值。9.根据权利要求1所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述步骤s3和s4具体为：将测得的寄生参数输入电路仿真软件，搭建阻抗仿真电路并进行仿真测试，将仿真结果与阻抗测试结果进行对比；若对比误差小于预设值，则进行下一步；若对比误差大于预设值，则检查阻抗测试过程与仿真过程是否存在误差，并重新进行测试和对比直至对比误差小于预设值。10.根据权利要求3所述的一种igbt驱动模块emi建模方法，其特征在于，所述步骤s6具体为：将三个桥臂中共六个igbt模块的各端口对散热板的阻抗检测完成后，计算寄生参数并对比验证后，将寄生参数输入至电路仿真软件，将6路igbt驱动信号作为输入分配至每个igbt模块的栅极，完成igbt驱动模块emi模型的建立。

技术总结
本发明公开了一种IGBT驱动模块EMI建模方法，包括以下步骤：定位IGBT集电极-散热板、IGBT发射极-散热板、IGBT栅极-散热板阻抗测试位置，对各端口阻抗进行测试，获取IGBT各极对散热板的寄生参数，在已建立的IGBT模型的基础上，添加IGBT集电极-散热板电容和IGBT各极对散热板的寄生参数以建立IGBT驱动模块EMI模型，为含有IGBT的产品在前期进行电磁兼容仿真与分析时提供辅助。本方法与传统技术相比，引入了IGBT各极对散热板的寄生参数，能够提高IGBT驱动板EMI建模的准确性，为含有IGBT的产品在前期进行电磁兼容仿真与分析时提供更准确的IGBT的EMI模型。确的IGBT的EMI模型。确的IGBT的EMI模型。


技术研发人员：刘恩博 吴伟 张宗兵 张磊
受保护的技术使用者：广电计量检测（成都）有限公司 广电计量检测集团股份有限公司
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/8/9