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sRDi1cDu实际定压降模型)(onDuDuDiDiDuVUonD7.0)(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0Gu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1mMOSFET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