IGBT-simulaatiomallien soveltuvuus laitetason hyötysuhdesimulaatioihin

Abstract

Tehoelektroniikkalaitteiden tehon kasvun myötä niiden hyötysuhteesta on tullut yksi niiden tärkeimmistä ominaisuuksista. Suurilla tehoilla prosentuaalisesti pienetkin tehohäviöt ovat merkittäviä ja aiheuttavat laitteen käyttäjälle ylimääräisiä energiakustannuksia ja tarvetta hukkalämmön poistolle. Näistä syistä asiakkaat vaativat hyvällä hyötysuhteella toimivia laitteita, joten laitevalmistajat pyrkivät tekemään niistä sellaisia.

Simulaatiomallit ovat arvokkaita työkaluja laitesuunnittelussa. Hyötysuhdeoptimoinnin kannalta tehohäviöt tulisi pystyä mallintamaan, jotta komponenttivalintojen, ohjaustapojen ja pääpiiritopologioiden vaikutusta hyötysuhteeseen voitaisiin arvioida.

Tässä työssä perehdytään eristehilabipolaaritransistorista (IGBT) tehtyihin simulaatiomalleihin ja arvioidaan niiden soveltuvuutta IGBT:ssä syntyvien tehohäviöiden mallintamiseen. Lisäksi verrataan mallia mittaukseen ja pohditaan, millaiset vaatimukset simulaatiomalliin todellisuudessa kohdistuvat.

As the power specifications of power electronic devices has increased, efficiency has become one of their most important features. At high power levels, even relatively low losses are significant and cause unnecessary energy costs and need to remove heat from the devices. For these reasons customers demand devices that operate at high efficiency, so manufacturers pursue to make such devices.

Simulation models are valuable tools in the device design process. Efficiency optimization requires that the losses can be modeled, so that the effect of component choises, control methods and main circuit topologies on efficiency can be estimated.

In this thesis we take a look at the different insulated gate bipolar transistor (IGBT) models, and their applicability for modeling the losses present in IGBTs is assessed. Further, a model is compared against measurements, and the requirements directed at the models are considered.