1 引言
面對(duì)普遍存在的成本壓力，有必要對(duì)電力半導(dǎo)體器件作最優(yōu)化選型。然而，隨著電力半導(dǎo)體領(lǐng)域產(chǎn)品多樣性的增加，人們需要瀏覽大量數(shù)據(jù)手冊(cè)并對(duì)其中包含的信息加以比較。此外，大功率密度、小型化的發(fā)展趨勢(shì)也使散熱設(shè)計(jì)顯得更為重要。當(dāng)然，上述因素僅僅是電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮的諸多問題中的一小部分，這也恰好說(shuō)明只有高效的技術(shù)支持才能幫助開發(fā)者作出正確的選擇。

2 semisel—轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)軟件
許多電力半導(dǎo)體廠商都以軟件或計(jì)算工具的形式為其產(chǎn)品提供支持服務(wù)，這些工具可用于計(jì)算損耗和溫度，并幫助客戶在應(yīng)用中作出正確的選擇[1][2][3]。與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，賽米控提供了功能更為強(qiáng)大的在線工具semisel（可訪問www.semikron.com）。semisel是目前同類免費(fèi)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(yùn)行條件下的特性及表現(xiàn)。自2001年以在線方式推出至今，該軟件已歷經(jīng)多次改進(jìn)和擴(kuò)展。semisel的計(jì)算功能極為豐富，從額定工況下的產(chǎn)品選型，到驅(qū)動(dòng)器、散熱器技術(shù)規(guī)格，以及滿帶載周期等復(fù)雜計(jì)算，幾乎所有設(shè)計(jì)要素都被涵蓋在內(nèi)。
semisel的功能及其主要用途：
（1）用于變換器設(shè)計(jì)的電力半導(dǎo)體選型；
（2）產(chǎn)品對(duì)比，針對(duì)某特定應(yīng)用尋找最合適的電力半導(dǎo)體型號(hào)，或?yàn)橐淹．a(chǎn)器件尋找替換件；
（3）最優(yōu)組合，在事先確定的設(shè)計(jì)自由度（開關(guān)頻率、冷卻器件、過載能力等）內(nèi)使成本、性能、體積等指標(biāo)達(dá)成最優(yōu)比；
（4）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)器件和開關(guān)參數(shù)對(duì)最終產(chǎn)品偏離設(shè)計(jì)性能的可能性進(jìn)行評(píng)估。
實(shí)現(xiàn)上述功能的另一種方案是采用“excel表格”+商業(yè)電路仿真工具包，這里以此為參照，分別列出semisel計(jì)算仿真工具的優(yōu)勢(shì)和局限性，如表1所示。

表 1 semisel仿真工具的優(yōu)勢(shì)和“excel 表格”的局限性

3 基本操作及參數(shù)
第一步是為給定的應(yīng)用選擇電路如圖1所示。該步將自動(dòng)加載電路屬性設(shè)置窗體和相應(yīng)的公式。

圖1 電路拓?fù)溥x擇（此處為一個(gè)三相逆變器）

首先要輸入的數(shù)據(jù)是計(jì)算所需的電氣參數(shù)及冷卻條件。此處要求用戶具備一定的工程專業(yè)知識(shí)，因?yàn)樾枰枋鲞^載情況（與器件規(guī)格有密切關(guān)系），例如，對(duì)于一段有限的持續(xù)時(shí)間或運(yùn)行在低頻輸出下的逆變器，可以給出過載電流。在兩種運(yùn)行模式下，結(jié)點(diǎn)溫度都不應(yīng)超過最大值。此外，負(fù)載或溫度周期也是影響最終產(chǎn)品耐用性的重要因素之一，這里，semisel的優(yōu)勢(shì)在于可針對(duì)特定的應(yīng)用由用戶給出或通過計(jì)算得到帶載周期。
在指定冷卻條件時(shí)，用戶同樣需要一定程度的工程專業(yè)知識(shí)。具體來(lái)說(shuō)，用戶要綜合考慮器件尺寸、器件數(shù)量（熱源分布）以及散熱器的有效熱阻rth(s-a)。通常，廠商會(huì)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(gè)獨(dú)立的發(fā)熱點(diǎn)）實(shí)際有效熱阻將增大。
第二組輸入數(shù)據(jù)為器件參數(shù)。用戶只需選擇相應(yīng)的器件名稱，如圖2所示，具體參數(shù)將從數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)加載。如果用戶想先根據(jù)額定負(fù)載情況構(gòu)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(jì)算
4.1 額定工況
這里對(duì)semisel的快速計(jì)算原理和過程作一簡(jiǎn)要介紹，首先程序把用戶給出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換為各獨(dú)立器件的參數(shù)。這些器件的特性采用簡(jiǎn)單函數(shù)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(guān)損耗相關(guān)性則用簡(jiǎn)單指數(shù)函數(shù)近似。與其他同類工具一樣，semisel采用了解析法計(jì)算功率損耗，表示為器件電壓和電流之乘積的時(shí)間積分：

由此得到基礎(chǔ)方程：

功率損耗由開關(guān)損耗psw和導(dǎo)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(guān)頻率，k1、k2、k3為系數(shù)。電壓范圍<1…2kv時(shí)，斷開狀態(tài)下的功率損耗可忽略不計(jì)，此外50hz工頻下典型逆變器或交流電壓變頻器的開關(guān)損耗也可忽略不計(jì)，因此基礎(chǔ)方程可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

對(duì)于脈寬調(diào)制（pwm）型igbt逆變器，一個(gè)輸出周期內(nèi)的平均損耗[4]可表示如下：

以及

式中： m—調(diào)制比；
—功率因數(shù)；
i1—逆變器電流基波；
kv—開關(guān)損耗電壓系數(shù)。
由以上公式得到的結(jié)果是器件的平均損耗。借助包含器件表層熱阻在內(nèi)的等效電路（j—結(jié)，c—?dú)?，s—散熱器，a—環(huán)境），可以算出平均結(jié)溫tj：

其中pv_n代表共用一個(gè)散熱器時(shí)各器件的損耗。大多數(shù)用于損耗計(jì)算的器件參數(shù)與溫度有關(guān)，因此實(shí)際損耗的計(jì)算是利用迭代循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，以便引入自熱效應(yīng)，如圖3所示。迭代的初始值是環(huán)境溫度下的損耗，由此可計(jì)算出結(jié)溫的初始近似值，利用該溫度值我們可以得到一個(gè)新的、更精確的損耗，如此經(jīng)過3～4次迭代循環(huán)即可獲得最終值。

圖3 采用迭代循環(huán)計(jì)算器件損耗（考慮內(nèi)熱）

4.2 過載情況
在設(shè)計(jì)過程中，通常人們更加關(guān)注過載情況下的損耗計(jì)算和最高溫度。對(duì)于多數(shù)電路，需要指定的過載參數(shù)中最關(guān)鍵的是某特定時(shí)刻的過電流（相對(duì)于額定電流而言）。此時(shí)驅(qū)動(dòng)能力的變化可視為功耗提升以及電流增大、結(jié)溫升高等因素的直接結(jié)果和外在表現(xiàn)。
過載情況下的計(jì)算與額定工況相似，僅有的區(qū)別主要在于計(jì)算過程的時(shí)間相關(guān)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(shí)間點(diǎn)，從t=0開始，在外部迭代循環(huán)中，分別對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算溫度。從而得到器件的時(shí)間溫度曲線。
對(duì)逆變器而言，除過電流外，最小頻率也是一個(gè)比較嚴(yán)格的參數(shù)。降低頻率后，盡管平均損耗維持恒定，但仍可導(dǎo)致最高溫度的提升。其原因可作如下解釋：電力半導(dǎo)體的熱時(shí)間常數(shù)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(dǎo)體（表層）的平均熱容可對(duì)溫度曲線起到平滑作用；對(duì)于50hz工頻，計(jì)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(jié)溫隨著功耗的變化而變化，如圖4所示，導(dǎo)致在平均溫度以上出現(xiàn)比較明顯的高溫峰值。semisel對(duì)這種效應(yīng)的處理辦法是引入一個(gè)與頻率相關(guān)的校正因子，將其乘以結(jié)點(diǎn)與散熱器的溫差dt(j-s)av，再結(jié)合平均溫度計(jì)算出最高溫度。

圖4 溫度隨逆變器輸出頻率的變化趨勢(shì)（周期歸一化）

這里的臨界情況出現(xiàn)在逆變器輸出頻率fout=0hz時(shí)，此時(shí)均值計(jì)算中用到的周期為無(wú)窮大，“無(wú)窮大”同時(shí)也意味著該狀態(tài)下的開關(guān)時(shí)間要遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)。值得注意的是，除公式描述本身的局限性外還存在一個(gè)問題，即，軟件算法假設(shè)散熱器上的熱損耗是均勻分布的，但此時(shí)主要熱源卻是6個(gè)開關(guān)中的1個(gè)，顯然存在矛盾。理論上講，電力開關(guān)可以精確地在電流峰值點(diǎn)完成動(dòng)作，損失一部分直流，因此，對(duì)于過載情況，一種更好的計(jì)算方法是采用斬波電路（降壓變換器）。
事實(shí)上，電機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)的過程中，頻率并不是從前面公式中純數(shù)學(xué)意義上的0hz開始的。第一個(gè)周期的時(shí)間是有限的，在圖5的例子中僅為14.2ms，與根據(jù)半導(dǎo)體功率損耗的得出的起動(dòng)頻率3.5hz基本相符。

圖5 電機(jī)起動(dòng)過程的典型電流曲線

5 帶載周期計(jì)算
帶載周期計(jì)算是semisel計(jì)算仿真工具的一項(xiàng)特有功能。該功能不僅考慮到最高溫度，同時(shí)也關(guān)注滿載與空載運(yùn)行時(shí)的溫差。在某種程度上它標(biāo)志著電力半導(dǎo)體模塊的日趨成熟。引入這項(xiàng)功能的目的是為了對(duì)最終產(chǎn)品的運(yùn)行壽命進(jìn)行預(yù)先考察。圖6提供了一個(gè)帶載周期的例子，這是一套電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括四種運(yùn)行狀態(tài)：起動(dòng)、定速、制動(dòng)和停機(jī)。

圖6 電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

帶載周期的所有數(shù)值都被輸入到一個(gè)表單中，程序?qū)⒁来巫x取以模擬參數(shù)的變化過程，并采用線性插值對(duì)介于其中的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行處理。溫度及功耗的計(jì)算方法與前面的過電流類似。在這個(gè)例子中，過電流發(fā)生在加速和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下。需要注意的是進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)后功率流動(dòng)方向的變化，此時(shí)功率因數(shù)變?yōu)樨?fù)值，逆變器運(yùn)行于整流狀態(tài)，能量被回饋至電網(wǎng)。

6 仿真結(jié)果
這里以一臺(tái)采用300aigbt模塊（semix553gb128d）的60kw風(fēng)冷式逆變器（55kw，iout=100a，vout=400v，=0.85，fsw=8khz）為例，給出計(jì)算仿真結(jié)果。損耗和溫度表示為時(shí)間相關(guān)函數(shù)。圖7為緊隨額定運(yùn)行狀態(tài)之后的過載狀態(tài)下的時(shí)間—溫度曲線。

圖7 逆變器兩倍過載下的溫度曲線

根據(jù)前面提到的帶載周期計(jì)算方法,可得到4s加速、4s制動(dòng)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(jù)lesit環(huán)境下銅質(zhì)基座igbt模塊的仿真結(jié)果[5],預(yù)計(jì)在器件損壞或功能失常之前大約還可經(jīng)受700,000個(gè)溫度變化與此程度相當(dāng)?shù)倪\(yùn)行周期。

圖8 包含加速、制動(dòng)過程的兩個(gè)帶載周期內(nèi)的溫度曲線

參考過載計(jì)算的結(jié)果，用戶可以對(duì)設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步優(yōu)化。以成本優(yōu)化為例，用戶可指定某些約束條件（例如最高環(huán)境溫度、初始負(fù)載、過載等）以便semisel選擇滿足應(yīng)用要求的部分器件型號(hào)。此外，友好的界面和較快的計(jì)算速度，還使用戶能自由地選取參數(shù)并迅速“預(yù)覽”結(jié)果，從而在各設(shè)計(jì)目標(biāo)之間找到一個(gè)最優(yōu)的折衷方案。

7 結(jié)束語(yǔ)
僅根據(jù)標(biāo)稱的額定電流選購(gòu)器件并用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。與以往任何時(shí)候相比，今天的客戶都更加渴望得到來(lái)自器件制造商的高效技術(shù)支持。賽米控試圖通過semisel來(lái)滿足這一需求，這款計(jì)算仿真工具實(shí)現(xiàn)了易用性、適用性、界面友好度的完美結(jié)合。semisel可幫助用戶確定電力半導(dǎo)體器件在特定應(yīng)用條件下的損耗和溫度。當(dāng)然，需要再次提醒的是，這些計(jì)算功能只是一種近似，不能取代實(shí)際的品質(zhì)測(cè)試。