电力电子开关器件仿真模型比较doc-晶闸管的双三极管模型

电力电子开关器件仿真模型比较张薇琳张波丘东元褚利丽（广州华南理工大学电力学院，广东广州510640）ModelingofPowerElectronicDevicesZhangWei-lin,ZhangBo,QiuDong-yuan,ChuLi-li(CollegeofElectricEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,510640,China)摘要：电力电子开关器件的模型建立一直是一个研究难点，其真实性和精确性是衡量建模的标准。本文对基本电力电子开关器件如二极管、GTO、晶闸管、MOSFET和IGBT的现有仿真模型进行了归纳和总结，并比较了各种器件不同模型之间的优缺点和适用场合，由此为电力电子开关器件的分析提供研究基础。关键字：功率二极管；GTO；晶闸管；MOSFET；IGBT；仿真模型Abstract:Thereisalwaysadifficultyinmodelingofpowerelectronicdevices,withthevalidityandaccuracyasitsjudgment.Thispaperreviewsgenericmodelingapproachesandsimulationsofsomepowerelectronicdevices,includingpowerdiode,GTO,thyristor,MOSFETandIGBT.Theirbasicprinciplesaredescribedandtheirmeritsandlimitationsareremarked,whichprovidesabasisforanalysisofpowerelectronicdevices.Keywords:powerdiode,GTO,thyristor,MOSFET,IGBT,simulationmodel1引言电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。而对电力电子器件的仿真，对于电力电子装置的研究、设计、分析及应用都有重要意义。仿真计算的首要问题是电力电子器件的建模，国内外现已发表多篇论著。目前有两种建模途径，一是从器件内在物理过程出发推导出相应的方程组，其对应的电路就是器件的模型。一是从器件的外部特性出发，设计一个具有该特性的集总参数电路，它就是模拟器件外部特性的模型。前者复杂完善，多用于电路分析，多用于器件的设计和制造。后者较简单，多用于电路分析，尤其是对整个电力电子电路的仿真。本文对常用电力电子器件做了简单的介绍，给出了一般主流电力电子器件的仿真模型和原理，比较了每种器件不同模型之间的优缺点，为深入的理论研究和实际应用打下基础。2功率二极管模型二极管产生于上世纪40年代[1]，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件，对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。（1）SPICE中二极管模型SPICE的二极管模型由下式建立STSIIUnRIU1ln（1）式中U为PN结两端的外加电压；I为流过PN结的电流；SR代表半导体体电阻和引线接触电阻；sI为反向饱和电流；n为非理想化因子，其值与I有关，TU是温度的电压当量。SPICE二极管模型由图1表示，电容1C代表二极管的非线性电容效应，Di和Du代表PN结的伏安特性（1DTunUDSiIe）。图1SPICE二极管模型（2）定压降模型若考虑二极管的导通电压，忽略二极管的导通电阻，此时二极管的特性曲线如图2（a）所示的两条直线来等效，相应的等效电路如图2（b）。（a）伏安特性（b）等效电路图2二极管定压降模型（3）分段线性模型若考虑二极管的导通电压，并考虑其导通电阻，二极管的伏安特性可以用两段直线逼近，如图3（a），两段直线的交点为导通电压Donu，导通后一段直线的斜率为1/DR，DR称为二极管的导通电阻。二极管分段线性等效模型如图3（b）。(a)伏安特性（b）等效电路图3二极管分段线性模型在上面介绍的几种模型中，以数学模型为基础建立的SPICE模型适合于精确计算与计算机仿真，分段线性模型与定压降模型适合于工程估算分析。2晶闸管模型晶闸管广泛地用于高电压、大容量的电力电子设备中，其性能优劣是设备正常安全运行的关键之一。建立晶闸管模型，进行电路的计算机辅助设计，能够揭示晶闸管在运行中所承受的电应力，指导设备的设计和研制。（1）晶闸管的双三极管模型sRDi1cDu实际定压降模型)(onDuDuDiDiDuVUonD7.0)(实际分段线性模型DiDu)(onDuDiDu)(onuDDR图4晶闸管双三极管模型当晶闸管加上正向阳极电压，门极也加上足够的门极电压时，则有电流从门极流入Q2管的基极，Q2管导通后，其放大后的集电极电流流入Q1管的基极使其导通，该管放大后的集电极电流流入Q2管的基极，如此循环，产生强烈的正反馈过程，造成两个晶体管的饱和导通，使晶闸管由阻断迅速转为导通状态。（2）晶闸管开关模型[2]图5晶闸管开关模型如图5，1S受触发脉冲控制，1W受电压akU控制。在正向阻断下，电压达到重复工作正向电压时1W闭合，为触发导通作准备，触发脉冲使1W闭合晶闸管导通，呈现通态电阻fR。2W受阳极电流Ai控制，在触发脉冲宽度内，如Ai达到擎住电流2W闭合，使触发脉冲消失后仍然继续导通。运行中如Ai值小于维持电流时2W打开，晶闸管进入阻断状态呈现反向电阻rR。晶闸管端压akU过零时1W打开，晶闸管恢复正向阻断状态。（3）晶闸管宏模型[3]图6晶闸管宏模型正向特性：1E为电压控制电压源。当晶闸管导通时，其值为0；当晶闸管关断时，其值随晶闸管的外加电压AKV变化。当晶闸管正向导通时，用二极管onD描述晶闸管的非线性特性。LR用来反映晶闸管断态时的漏电流。晶闸管的门极触发特性则通过GD和GDV来模拟。控制块具有两大功能：一是反映晶闸管的门极触发效应；二是反映晶闸管的正、反向击穿效应。晶闸管双三极管模型在上世纪80年代初由Hu－ki提出，有着比较简单的概括物理过程的优点，模拟方法简单，适用于精度要求不太高的场合。但这种模型有个模型参数提取的过程，要求的原始数据较多，过程也比较复杂，仿真运行时间长。开关模型是从器件的外部特性出发，设计出一个具有晶闸管开关特性的集总参数电路，虽然只反映了晶闸管的“开”、“关”特性，但仍不失其工程使用价值。而且模型中所用器件一般仿真软件中都有，具有可通用性。晶闸管宏模型是一种新型的模型，它加入了一个反向恢复控制块，对反向恢复过程中存储电荷的抽取及复合过程进行开通与关断控制，从而可以很好地对晶闸管的反向恢复过程进行仿真。其物理概念明确，结构简单，且其模型参数可以直接从厂家提供的手册得到，使用方便。3门极可关断晶闸管（GTO）模型门极可关断晶闸管（GTO）是介于SCR和GTR之间的一种过渡器件，目前在大功率的斩波器、逆变器的应用中，GTO受到很大的重视，并且已经商品化。在使用GTO的高压、大电流的功率变流装置中，GTO器件工作的好坏直接影响到整个装置的正常运行。（1）GTO开关模型[2]AiORoiAAirR1s1w2wfRK图7GTO开关模型主电路由于GTO的关断增益不高，因而对关断脉冲的要求较高。如果认为GTO的正向触发导通过程与SCR相似，而反向关断也允许看成理想脉冲控制。其中2S是在0Gu时闭合，Gu为负的额定值时打开。（2）GTO宏模型[4]（a）主模型（b）开通模型（c）关断模型图8GTO宏模型图8(a)为GTO宏模型，在GTO开通过程中，2D、1T、2T和3T始终处于阻断状态，模型简化为开通模型图8（b）。图8（b）中，1C和3C的初始电压为0。当V接入电路后，V经gL开始对1C充电；由于EV的存在，D仍然处于断态，30uC，因此AK之间无阳极电流通过，3C上电压保持为零的时间可以看作是GTO的开通延迟时间dt。当1C两端的电压充到EV时D开始导通，于是V开始同时对1C和3C充电，3uC逐步增加，流过AK的阳极电流也随之增加，这段V向3C充电的时间可以看作是GTO的阳极电流上升时间rt。在关断过程中，1D和2D始终处于阻断状态，因此可以简化得到GTO的关断模型图8（c）。关断过程开始时，2D处于通态，1T、2T、3T处于断态，2C的初始电压为0，3C的初始电压为大于0的某个值，由被关断的阳极电流决定。当V接入电路后，开始对2C反向充电，其充入的电荷量模拟从门极抽取的关断电荷。在GTO满足关断条件前，可控开关1T保持截止，3C维持正压不变，因此阳极电流也维持不变。在此用V、gL和2C来模仿GTO门极的存储电荷的抽取过程，门极电流负向增长。这段时间可以看作是GTO的存储时间st。st的大小与门极存储电荷、门极反向电流峰值以及门极关断电流上升率三个参数有关。在模型中，22CCV反映了门极抽去的电荷量，gL中的电流gLi即为门极负电流。而gL上的压降/ggLdidt与门极电流的上升率成正比。在仿真过程中，对V、gLi及gLV进行监测和计算，当门极满足关断条件时，1T开通，st结束。1T开通后，一方面门极反向电流开始下降；另一方面，3C开始通过R和L放电，3uC开始下降，因此阳极电流也开始下降，这段时间可以看作是GTO的下降时间ft。阳极电流下降到通态电流的10％后，1T关断，2T和3T开通，3C沿2R放电，L沿R和3T释放能量。这段时间可以看作是GTO的尾部时间tt。开关模型是把GTO看作是理想控制开关，认为它只有通态和断态两种状态，这种模型适合于仿真包括器件本身在内的整个系统的动态特性，但其缺点是对器件开通和关断的瞬态特性反映得不够。宏模型从另外一个角度出发，运用电阻、电容、二极管和晶体管等元器件构造GTO外部特性的等效模型，这类模型的构造相对来说要简单些，应用起来也比较直观和方便，但精确性不高。4半导体场效应晶体管（MOSFET）模型GAKgiGUgRrR1s1w2S2R2w随着电力电子技术进一步向高频的大功率用电领域发展，金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOSFET）以其结构简单、制造成本低、功耗小的特点，在各种电力半导体器件中的重要地位日益显著，使用功率MOSFET的电力电子电路日益增多。（1）基于表面势的典型模型[5]基于表面势的MOSFET模型几乎是和MOS器件同时出现的。在1966年，H.C.Pao和T.C.Sah提出了著名的Pao-Sah双积分模型：dssbsbSfcbfVVVcbcbVoxdsdVdVFeCLWsI),,(1)2(……（2）其中sbV为源端沟道电势,dssbVV为漏端沟道电势,S为表面电势。这可以说是第一个被广泛引用的整体模型。它和实测结果的一致性得到公认,成了验证其它模型正确与否的标准。但是由于P-S模型需要进行数值积分,计算量较大,在电路模拟中没有得到应用。（2）仿真软件中常用的几种MOS模型[6]MOS1模型，是一个以器件物理为基础的，适用于长沟道、均掺杂器件，因其模型方程简单，易于电路设计者理解，所以现在有时候仍然用于手算和电路的初步模拟。MOS2模型，包含了一些小尺寸器件的二级效应，但对于亚微米器件来说仍然是一个不准确的模型。MOS3模型，引入了很多经验参数来来模拟短沟道效应，但其准确性仍不能让电路设计者完全满意。MOS1、MOS2和MOS3模型都不能很准确地模拟短沟道和窄沟道效应，而且由于发展这些器件模型时对短沟道器件物理的理解程度的限制，也没有适当考虑高（电）场效应。BSIM1模型是一个为1mMOSFET技术而发展的模型，包含很多对短沟道效应的更好理解，对沟道长度大于或者等于1m的器件的模拟结果非常准确。但是其参数却是大多数设计者不喜欢的没有物理意义的适应参数。BSIM2模型以BSIM1模型为基础在很多方面进