用MATLAB实现IGBT动态仿真

第卷第期湖北工学院学报年月文章编号〕一一一用实现动态仿真刘劲楠,廖家平,毛俐星湖北工学院电气工程与计算机科学系,湖北武汉〔摘要〕对模型暂态部分进行了详细的理论分析考虑到的工作条件,必须用非准静态分析法描述!的暂态电流、电压波形并用的模型语言一一一在电力系统工具箱中添加了!模块,实现动态仿真关钮词〕动态仿真,非准静态分析法一「中图分类号〕〔文献标识码〕图、图的结构和十分相似不同的是!多一个层发射区,可形成结,,并由此引出漏极、门极和源极与相似含有一个轻掺杂、宽基极、低增益,一,的双极性晶体管,与传统的高增益、低注人不同在实际工作范围内,这个双极性晶体管处于低增益、大注人状态,电子和空穴电流相互祸合而传统的双极性晶体管模型在暂态分析时假设满足准静态近似条件,以下详细分析模型采用非准静态近似条件集电区耗尽区比比习丝习习十口口基区发射区一!!!!!!!!!!图!的元胞结构图动态模型!等效电路图参考坐标系半导体常数、、、电子和空穴的电流传输方程、,产、、产月任尸了、双极性传输方程的参考直角坐标系见图在正偏的工作条件下,的集电极一基极结是反偏的,它的耗尽宽度为阮,丫下,‘、‘准中性基区的宽度为。一匆暂态时,、是随时间变化函数,则也是随时间变化函数式对时间求导,得到一南。。爵一、杭几一、器式中的一八产,,,户,,·注意到以上的两个表达式都与总电流。有关,且不能解偶这对于中的十分关键,因为在低增益状态下电子和空穴电流的大小相当不能简单地令空穴电流为零,求解电子电流空穴流连续方程酝,瓦汾占户甜月五肚一一比以一一设,一‘匆,式中从为基区掺杂度、气‘为硅的且户户,又由于中的基区中的任意收稿日期〕一一〔作者简介刘劲楠一,女,湖北武汉人,湖北工学院硕士研究生,研究方向电力电子器件仿真第卷第期刘劲捅等用实现动态仿真一点的总电流相等,即方程,从式得双极扩散整理得丽丈,又,一下一二又夕一一一在中实现御一决一仰一一一一如一尸护六日式中一而奋疏为双极扩散长度双极性晶体管空穴电流从式看出,准中性基区宽度随增加而减少则随、增加基区过剩电荷从变窄的基区中流过消失因此,式必须在移动的边界条件和初始条件下求解,即非准静态近似条件,可以得到基区中过剩载流子的分布式得近似解为,一。,一言,生尸一详毛坦兰兰、’的特点是易于进行控制系统的仿真,而!的模型中含有微分项,考虑把的模型用状态方程的形式加人而观察!的模型,可以把、,、看作状态变量、。为系统的输人,、作为系统的输出·为实现!的动态模型,建立的系统状态方程模型设状态变量一耐一,系统的输人。系统的状态方程为、、从节点列方程又由于基区载流子总电荷,对式在。到积分得几一·争一扣争一丫F一d,d一整理得:(15)。,f0.,、、1。昭=q且1OP又x少Qx=石厂oq入W·又日)J乙0I,.C、dV击一万一二竺万一十万-一声认-一、于二七g,十七洲七舒卞七洲配将式(8)、(9)代人式(5)可以求出相应的空穴电流.求得在中性基区边缘的集电极空穴电流为:1,b4D,八.C*,QdV、I。(W)~二牛二I。+二共丁未子Q+二笋2井二认竺.1+b一口’1+bWZ~’3Q。dr‘(10)式中的第一项为与I。祸合的部分、第二项为电荷控制部分、第三项为非准静态部分,这一项是移动的边界条件下载流子重新分布引起的.1.2双极性晶体管电子电流电子电流从MOSFET部分来考虑.IGBT中的MOSFET可以用传统的模型图来表示.1~由式(11)给出,极间电容来描述电荷贮存,Cg,、Cg‘、C*定义参见文献「2]中的图5.因为I。+I‘=I。,则(10)式加(12)式得到IGBT总电流,并代人(15),整理得:鲁一(I。一黔Q十(l+去一卜味价tl‘一I一;))/((1+劲·(Cds,十芳烧蕊+警暴))4把I,(0)、I,(W)的表达式代人式(13),整理得:一d一尸.一‘咨,F一d,d一釜一I一+cga争-(C*sQ+Cgd)QZ4N头二疏蕊乡一丈”(17)K户(V‘,一Vt)几一K,K户(V。一Vt)’/2叱2V。Vt,V*簇Vx:一Vt,(11)V的)Vg:一Vt.l||‘.|ee一一砌了了则从图2的节点b(d)列电流方程、利用电压方程V心一Vd:一Vg,得到电子电流为:I。=I。(W)=I~,+(C*+C解)·dV、._一、二二一C衬dt的一dVdt(12)3双极性晶体管基极电荷控制由于电荷守恒,基区载流子总电荷等于对电子流连续方程积分Q一qA丁了“(艾,d二,输出方程:Y(l)=X(1);Y(2)=X(2).以上方程可以用KRF45(龙格库塔一费尔博格4阶)算法求解.这里采用了simulink中S一Fune-tion(MathworkeorPoration.S一Funetionhelp.1999)对IGBT二次建模.在添加IGBT模型时把模型看做一个连续系统,只讨论mdllnitial-izesizes,mdlDerivatives,md1Outputs三种回调方法在S一function定义中.在flag一3对应的回调方法mdloutputso中定义计算静态工作点的部分,输出部分用状态变量Q、Vg,、V*的函数表示.在flag一1对应的回调方法mdlDerivatives()中列写的状态方程,计算微分.在flag一0对应的回调方法mdllni-tializesizeso中定义仿真初始值.而预处理过程在封装中实现,列写的外电路状态方程由系统给出.而仿真算法可以用simulink中提供的仿真算法.湖业工学院学报2001年第4翔3模型测试编程实现,并加人MATLAB的实时仿真环境Simulink/PowerSystemToolbox.测试电路如图4所示.电路参数:阳极电压300V、门极电阻1kn、门极电压为分别在20、80、140拜s时跳变为多qV,在40、100娜时跳变为ov的脉冲,阳极电路电感、电阻分别为80拜H和30n,IGBT参数参见图5.坦颐妞业赌血理皿.也圈.....犷通曲Tmodel恤sk).Par的eters二_盗掺聂磊(cm一3)、基极宽度(cm)〔场,肠〕i双极性寿命(此)、发射极电子饱和电流(^)【了a。、I即e1;’姗的豁裂。:Ia0,va0,‘;腼丽厂可一.—~—一-—厂花又一刁eaneel!He‘p!l图5IGBT模型参数设置框悬月?口vgs曰vds图4测试电路4仿真结果Anodevoltage&euiTentVa10ƒ‘†‘。ŽŽn口Ia0CnUfl”OC曰n†nU乃占健U”q1上A\泛20d06080100Gatevoltage&eurrent120140160呢20l蛋言snUA\勺烤20咬06080100t/F‘s图6MATLAB仿真结果120140160.尸.......卜......n讨门UnUCU‘19白一一,V芝/工400nU八曰n白A\勺o占1020口V(RZ:1)今一30*I(Ll)30t/ns4O50602O、口/一一~、v*/、、-丫一护州甘-n†受\工一200102030丫I(Rl)*1000*V(21:G)t加s图7Pspiee仿真结果40506020400:》、、、劫200V讼乏赴,受\工20芝丁一-一方月一勺扩一一动月s图8(20~60).二一-一--一一--J01二,..‘-一习-匀U60203040幼几s5060拌sMATLAB和Pspiee波形比较第16卷第4期刘劲楠等用MATLAB实现IGBT动态仿真压、开通关断时间等电路特性的变化.5总结〔参考文献〕与Pspiee中的IGBT模型(Mierosimeorpora-tion.PSPICEA一DRefereneeManual,1996)比较,从图8中可以看出(20一60)拌s时MATLAB和Pspice中门极电流和门极波形几乎重合,阳极电压波形中仿真波形的峰值电压相差比较大.而Pspice中模型的有效性在文献〔4〕中已阐述.(0一2的娜的不同时由于不同的仿真初值引起的.图6从关断状态开始仿真,而图7从导通状态开始仿真,这是由于PsPice中考虑了门极内部的电阻Rg,而本人的模型中没有考虑,这个电阻值很小,对门极特性的影响不明显,但对电压波形的影响比较大.可见该模型仿真的IGBT暂态阳极特性、暂态门极特性都是十分有价值的.模型可以设定器件的基极载流子寿命、门极电阻等参数,以便观察峰值电[1〕HefnerARandBlackbomDL.Ananalytiealmodelforthesteady一stateandtransrenteharaeteristiesofthepowerinsulatedgatebipolartransistor[J〕·Solid-StateEleetronies,1988,31(10):1513一1532.[2〕InesM.CastroSimas,PiedadeMS,FreireJC.E即erimentaleharacterizationofpowerVDMOStransistorsineommutationandaderivedmodelforeomputer一aideddesign[Jj.IEEETran,aetion:onPowerEleetoniees,1989,4(3):371一378.〔3]薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用〔M〕.北京:清华大学出版社,1996.〔4〕DavidWB,HefnerAR.IGBTModelValidation〔J].IEEEIndustryApplieationMagazine,1998(11,12):23一34.ImPlementIGBTDynamicSimulationbyMATLABLIUJin一nan,LIAOJia一ping,MAOLi一min(刀‘户.ofElectricEng艺neering色ComPuterse‘ence,刀“beiPolytechnicUn艺v.,Wuhan430068,Chi,a)Abstraet:WeanalyzedynamiemodelofIGBTindetail.ConsideringtheeonditionofIGBT,weusethenon一quasi一statiemethodtodeseribethedynamieeurrentandvoltageofIGBT.AndweaddIGBTdynamiebloekinpowersystemtoolboxwiths一funetionandimplementitsdynamiesimulation.Keywords:IGBTdynamiesimulation;non一quasi一statie;S一funetionsimulation〔贵任编辑:张岩芳〕(上接第51页)〔参考文献〕「1〕徐建华.图象处理与分析[M」·北京:科学出版社,1992.[2〕MeyersD,SkinnerrS,SloaaanK.SurfaeesfromCon-tours.ACMI、rans[J〕.OnGraphies,1992,16(3):237一256.[3]BorgeforsG.DistaneeTransformationsinDigitalIm-ages[Jj.CVGIP.1986,34(4):95一100.InvestigationonAlgorismofMatehingbetweenShiP’5CorrosionImagesCHENQi一xiang,ZHOUShang一11,KEMing一yi(DeP.ofElectrical&COmPuterScience,HubeiPolyteehn‘cUniv,,W‘han430068,Ch‘na)Abstraet:Thisthesisstudiesdesigningandimplementingalgorismofmatehingbetweenship’5eorrosionuncontlnuouslmages·Keywords:ship’5eorrosion;mateh;uneontinuousimages〔贵任编辑:张岩芳〕