马海心 刘 健

（陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京100072）

0 引言

绝缘栅双极晶体管（IGBT）广泛应用于600V及以上，10A以下的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、轨道交通等领域。IGBT的工作状态包括稳态和暂态，暂态过程关系到开关频率、开关损耗、电磁特性等性能。现有仿真软件往往将IGBT开关过程视为理想过程，不能很好地体现IGBT的暂态过程[1-2]。有的软件模型考虑暂态过程，但实时性很差[3]。为了更好地体现IGBT的暂态过程，本文基于FPGA建立实时仿真模型。

FPGA是面向硬件电路编程的芯片，采用并行运算方式，时钟周期可以达到纳秒级。IGBT的暂态过程一般为数百纳秒，进行暂态模型仿真，要求仿真步长达到纳秒级，FPGA的特点符合要求[4]。本文采用Xilinx公司Spartan系列的XC3S500E芯片，该芯片时钟频率为50MHz，时钟周期20ns，系统门数为50万。该芯片丰富的硬件资源，并行化数据处理方式，灵活的接口配置，能够满足IGBT暂态实时仿真模型的设计要求。

1 IGBT暂态模型

在对IGBT暂态仿真模型的研究中，我们往往不关注其内部的物理特性，而只关注其外特性，因此构建IGBT功能模型[5-6]。通过对暂态过程进行分析，为下一步在FPGA中软件实现奠定了基础。

1.1 IGBT开通过程

IGBT的开通过程如图1所示。t0～t5为各个阶段划分节点，S为表示开关信号，Vge为栅极与射极电压，Vce0为集电极与发射极在IGBT截止稳态下电压，Vces为集电极与发射极在导通下电压，Ic为集电极电流，Ic0为集电极在导通稳态下电流，Vth为IGBT开启电压。

图1 IGBT开通过程

IGBT开通过程划分为4个阶段，对于各个阶段IGBT的状态分析如下：