1 引言
面對普遍存在的成本壓力，有必要對電力半導體器件作最優化選型。然而，隨著電力半導體領域產品多樣性的增加，人們需要瀏覽大量數據手冊并對其中包含的信息加以比較。此外，大功率密度、小型化的發展趨勢也使散熱設計顯得更為重要。當然，上述因素僅僅是電力電子系統設計中必須考慮的諸多問題中的一小部分，這也恰好說明只有高效的技術支持才能幫助開發者作出正確的選擇。
2 semisel—轉換器設計軟件
許多電力半導體廠商都以軟件或計算工具的形式為其產品提供支持服務，這些工具可用于計算損耗和溫度，并幫助客戶在應用中作出正確的選擇[1][2][3]。與競爭對手相比，賽米控提供了功能更為強大的在線工具semisel（可訪問www.semikron.com）。semisel是目前同類免費工具中最完備的一款，可用于研究各種電力電子電路在不同運行條件下的特性及表現。自2001年以在線方式推出至今，該軟件已歷經多次改進和擴展。semisel的計算功能極為豐富，從額定工況下的產品選型，到驅動器、散熱器技術規格，以及滿帶載周期等復雜計算，幾乎所有設計要素都被涵蓋在內。
semisel的功能及其主要用途：
（1）用于變換器設計的電力半導體選型；
（2）產品對比，針對某特定應用尋找最合適的電力半導體型號，或為已停產器件尋找替換件；
（3）最優組合，在事先確定的設計自由度（開關頻率、冷卻器件、過載能力等）內使成本、性能、體積等指標達成最優比；
（4）風險評估，根據器件和開關參數對最終產品偏離設計性能的可能性進行評估。
實現上述功能的另一種方案是采用“excel表格”+商業電路仿真工具包，這里以此為參照，分別列出semisel計算仿真工具的優勢和局限性，如表1所示。
表 1 semisel仿真工具的優勢和“excel 表格”的局限性
3 基本操作及參數
第一步是為給定的應用選擇電路如圖1所示。該步將自動加載電路屬性設置窗體和相應的公式。
圖1 電路拓撲選擇（此處為一個三相逆變器）
首先要輸入的數據是計算所需的電氣參數及冷卻條件。此處要求用戶具備一定的工程專業知識，因為需要描述過載情況（與器件規格有密切關系），例如，對于一段有限的持續時間或運行在低頻輸出下的逆變器，可以給出過載電流。在兩種運行模式下，結點溫度都不應超過最大值。此外，負載或溫度周期也是影響最終產品耐用性的重要因素之一，這里，semisel的優勢在于可針對特定的應用由用戶給出或通過計算得到帶載周期。
在指定冷卻條件時，用戶同樣需要一定程度的工程專業知識。具體來說，用戶要綜合考慮器件尺寸、器件數量（熱源分布）以及散熱器的有效熱阻rth(s-a)。通常，廠商會提供熱源均勻分布情況下的散熱器有效熱阻，在非均勻情況下（例如多個獨立的發熱點）實際有效熱阻將增大。
第二組輸入數據為器件參數。用戶只需選擇相應的器件名稱，如圖2所示，具體參數將從數據庫自動加載。如果用戶想先根據額定負載情況構造一套初步方案，也可令semisel推薦一款器件。
圖2 使用下拉式菜單選擇器件
4 損耗計算
4.1 額定工況
這里對semisel的快速計算原理和過程作一簡要介紹，首先程序把用戶給出的電路參數轉換為各獨立器件的參數。這些器件的特性采用簡單函數加以描述，例如正向傳輸特性（v0—閾值電壓+rf—體電阻）用直線方程表示，開關損耗相關性則用簡單指數函數近似。與其他同類工具一樣，semisel采用了解析法計算功率損耗，表示為器件電壓和電流之乘積的時間積分：
由此得到基礎方程：
功率損耗由開關損耗psw和導通損耗pcond兩部分組成，前者取決于iav的均值，后者則取決于器件電流的均方根irms，fsw為開關頻率，k1、k2、k3為系數。電壓范圍<1…2kv時，斷開狀態下的功率損耗可忽略不計，此外50hz工頻下典型逆變器或交流電壓變頻器的開關損耗也可忽略不計，因此基礎方程可進一步簡化為：
對于脈寬調制（pwm）型igbt逆變器，一個輸出周期內的平均損耗[4]可表示如下：
以及
式中： m—調制比；
—功率因數；
i1—逆變器電流基波；
kv—開關損耗電壓系數。
由以上公式得到的結果是器件的平均損耗。借助包含器件表層熱阻在內的等效電路（j—結，c—殼，s—散熱器，a—環境），可以算出平均結溫tj：
其中pv_n代表共用一個散熱器時各器件的損耗。大多數用于損耗計算的器件參數與溫度有關，因此實際損耗的計算是利用迭代循環實現的，以便引入自熱效應，如圖3所示。迭代的初始值是環境溫度下的損耗，由此可計算出結溫的初始近似值，利用該溫度值我們可以得到一個新的、更精確的損耗，如此經過3～4次迭代循環即可獲得最終值。
圖3 采用迭代循環計算器件損耗（考慮內熱）
4.2 過載情況
在設計過程中，通常人們更加關注過載情況下的損耗計算和最高溫度。對于多數電路，需要指定的過載參數中最關鍵的是某特定時刻的過電流（相對于額定電流而言）。此時驅動能力的變化可視為功耗提升以及電流增大、結溫升高等因素的直接結果和外在表現。
過載情況下的計算與額定工況相似，僅有的區別主要在于計算過程的時間相關性，此外熱阻被替換為熱阻抗zth。
在semisel工具中，過載脈沖被處理為一系列離散時間點，從t=0開始，在外部迭代循環中，分別對每個點計算溫度。從而得到器件的時間溫度曲線。
對逆變器而言，除過電流外，最小頻率也是一個比較嚴格的參數。降低頻率后，盡管平均損耗維持恒定，但仍可導致最高溫度的提升。其原因可作如下解釋：電力半導體的熱時間常數小于1s，首先考慮逆變器的正常輸出頻率范圍，在高頻下，半導體（表層）的平均熱容可對溫度曲線起到平滑作用；對于50hz工頻，計算得到的平均溫度和最高溫度之間相差也不大，可以忽略；但在低頻下（<2～5hz），結溫隨著功耗的變化而變化，如圖4所示，導致在平均溫度以上出現比較明顯的高溫峰值。semisel對這種效應的處理辦法是引入一個與頻率相關的校正因子，將其乘以結點與散熱器的溫差dt(j-s)av，再結合平均溫度計算出最高溫度。
圖4 溫度隨逆變器輸出頻率的變化趨勢（周期歸一化）
這里的臨界情況出現在逆變器輸出頻率fout=0hz時，此時均值計算中用到的周期為無窮大，“無窮大”同時也意味著該狀態下的開關時間要遠大于系統的熱時間常數。值得注意的是，除公式描述本身的局限性外還存在一個問題，即，軟件算法假設散熱器上的熱損耗是均勻分布的，但此時主要熱源卻是6個開關中的1個，顯然存在矛盾。理論上講，電力開關可以精確地在電流峰值點完成動作，損失一部分直流，因此，對于過載情況，一種更好的計算方法是采用斬波電路（降壓變換器）。
事實上，電機從停止狀態起動的過程中，頻率并不是從前面公式中純數學意義上的0hz開始的。第一個周期的時間是有限的，在圖5的例子中僅為14.2ms，與根據半導體功率損耗的得出的起動頻率3.5hz基本相符。
圖5 電機起動過程的典型電流曲線
5 帶載周期計算
帶載周期計算是semisel計算仿真工具的一項特有功能。該功能不僅考慮到最高溫度，同時也關注滿載與空載運行時的溫差。在某種程度上它標志著電力半導體模塊的日趨成熟。引入這項功能的目的是為了對最終產品的運行壽命進行預先考察。圖6提供了一個帶載周期的例子，這是一套電梯驅動系統，包括四種運行狀態：起動、定速、制動和停機。
圖6 電梯驅動系統的運行狀態
帶載周期的所有數值都被輸入到一個表單中，程序將依次讀取以模擬參數的變化過程，并采用線性插值對介于其中的時間點進行處理。溫度及功耗的計算方法與前面的過電流類似。在這個例子中，過電流發生在加速和制動運行狀態下。需要注意的是進入制動狀態后功率流動方向的變化，此時功率因數變為負值，逆變器運行于整流狀態，能量被回饋至電網。
6 仿真結果
這里以一臺采用300aigbt模塊（semix553gb128d）的60kw風冷式逆變器（55kw，iout=100a，vout=400v，=0.85，fsw=8khz）為例，給出計算仿真結果。損耗和溫度表示為時間相關函數。圖7為緊隨額定運行狀態之后的過載狀態下的時間—溫度曲線。
圖7 逆變器兩倍過載下的溫度曲線
根據前面提到的帶載周期計算方法,可得到4s加速、4s制動過程中的溫度曲線,如圖8所示。igbt的平均溫度為79℃,溫差48℃。根據lesit環境下銅質基座igbt模塊的仿真結果[5],預計在器件損壞或功能失常之前大約還可經受700,000個溫度變化與此程度相當的運行周期。
圖8 包含加速、制動過程的兩個帶載周期內的溫度曲線
參考過載計算的結果，用戶可以對設計方案作進一步優化。以成本優化為例，用戶可指定某些約束條件（例如最高環境溫度、初始負載、過載等）以便semisel選擇滿足應用要求的部分器件型號。此外，友好的界面和較快的計算速度，還使用戶能自由地選取參數并迅速“預覽”結果，從而在各設計目標之間找到一個最優的折衷方案。
7 結束語
僅根據標稱的額定電流選購器件并用于產品設計的時代已經一去不復返了。與以往任何時候相比，今天的客戶都更加渴望得到來自器件制造商的高效技術支持。賽米控試圖通過semisel來滿足這一需求，這款計算仿真工具實現了易用性、適用性、界面友好度的完美結合。semisel可幫助用戶確定電力半導體器件在特定應用條件下的損耗和溫度。當然，需要再次提醒的是，這些計算功能只是一種近似，不能取代實際的品質測試。
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