1、,第二章 电力电子器件的建模,2.1 电力电子器件综述 2.2 电力电子器件建模的一般概念及方法 2.3 功率二极管模型的建立 2.4 SCR、GTO模型的建立 2.5 MOSFET、IGBT模型的建立,当前电力电子器件特点： (1) 集成化：多单元胞管并联，即一个器件是由许多子器件所集成。 (2) 高频化：工作频率已从数千赫到兆赫，标志着电力电子技术已进人高频化时代。 (3) 全控化：电力电子器件实现全控化，避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫换流电路。 (4) 低功耗：新材料、新技术在电力电子器件中的应用，如CoolMos、SiC等的应用。,2.1 电力电子器件综述,功率器件的分类与各
2、自优缺点：1 按照控制方式分类 (1) 电流控制型电力电子器件 控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。 典型器件及其应用范围： 电力晶体管及其模块(GTR) 适应于500 kW以下、380V交流供电的领域； 晶闸管类(SCR, GTO)，这类器件适用于电压更高、电流更大的应用领域。 (2) 电压控制型电力电子器件电压控制型器件都是用场控原理对其通断状态进行控制的。其共同特点是：输入阻抗很高，所以控制功率小，控制电路比较简单。 电压控制型器件的工作温度高，抗辐射能力也强。典型器件及其应用范围： MOSFET 适应于中小功率应用领域； MOS控制型复合器件 IGBT、MCT、I
3、GCT等 适应于中大功率应用领域。,2 按照导电载流子的不同分类 (1) 双极型器件 比如：功率硅整流二极管、电力晶体管(GTR)、IGBT、IGCT、MCT和各类晶闸管都是两个、三个或更多PN结组成的电力电子器件，为双极型器件。其共同特点是： 在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，存在复合过程； 具有电导调制效应，使其导通压降低；(2) 单极型器件 MOSFET 在器件体内只有电子或空穴一种载流子导电，不存在复合过程，开关损耗低； 不具有电导调制效应，使其导通压升高；不存在复合问题，因而工作频率可以很高，可达几百千赫，甚至更高。,电力电子器件发展过程,单个器件输出功率与工作频率的关系,各种器
4、件电压和电流的比较,器件功率损耗与工作频率的关系,2.2 电力电子器件建模的一般概念及方法,电力电子器件的建模是电力电子系统仿真研究的一个非常重要的环节。仿真结果是否准确，很大程度上都同模型是否精确直接关联。电系统的其他器件的建模已越来越多。比如磁性元件的建模等。另外，对电力电子系统负载的建模已经成为一个不可忽视的领域。电力电子器件的建模不单单是学术上的要求，而且也是工业上的需要。现在有些国际著名的器件公司，在推出新器件的同时，也同时把该器件的计算机仿真模型提供给器件的使用者。,2.2.1 在电力电子系统中使用模型的目的,1. 电路上的需要（最低要求）2. 器件模型能够准确提供波形信息3. 换
5、向过程4. 元器件张力5. 功率消耗6. 设计器件缓冲电路的需要,理想开关与功率开关器件的区别,电力电子器件换向时的波形图,2.2.2 一般电力电子器件模型三种形式,一、 简单模型 这种模型不能表达一个器件的准确的信息，只能执行该器件的最基本的功能（如开关功能）。一般用在系统层次仿真和要求不高的电路层次的仿真中，优点是突出系统和电路的特性和表现，节省仿真时间。,二、 一般模型,模型有较复杂的结构，能够较准确反映出器件的主要特性和功能，一般用在电路层面的仿真分析，仿真真实度和节省仿真时间都居中。大多数的仿真软件都采用这种模型。,三、 精确模型,精确模型结构和数学表达式都非常复杂，精确模型考虑的因
6、素较多。要求模型能够准确反映器件的真实特性。主要用于提供器件的换向过程、波形信息、器件张力、功率消耗等。在设计器件的吸收电路时，精确模型是非常有用的。,对于一般型和精确型的的电力电子器件模型又可分为两类：,1. 子电路型电力电子器件模型,所谓的子电路模型是在一些可利用的电路仿真软件中已经建立的传统器件模型同一些无源器件、开关、受控电源等结合所构成的器件模型。,2. 数值型电力电子器件模型,数值型电力电子器件模型的建模是直接根据器件的物理特性进行建模，所以又称功率半导体器件物理建模。,2.2.3 电力电子器件建模的方法,一、电力电子器件建模需考虑的问题,1. 电阻系数的调制,区域边界X1到Xr，
7、面积为A的区域电阻由下式表：,这里n和p分别是电子和空穴的密度， mn和mp是载流子的迁移率,2. 电荷存储量,3. MOS电容,4. 电热交互作用,5. 击穿,二、电力电子器件建模的建模方法,电力电子器件有各种各样电路模型，所以也存在许多建模方法。下面我们主要在子电路模型和数值模型这两种模型形式加以讨论。,1. 子电路建模法,这种模型一般都建立在已有的通用电路仿真平台上，根据需要建模的电力电子器件特性，利用仿真平台器件库中已有的器件，搭出满足电力电子器件器件静态和动态特性模型来。,一个简单的功率MOSFET子电路模型,一个较复杂的功率MOSFET子电路模型,2. 数值建模法,数值模型一般是直
8、接利用半导体功率器件的物理方程求解而到模拟结果的一种建模方法，但在大多数情况下，在器件的物理方程下得到确切的分析解是比较困难的，仅此，往往要利用一些间接表示模型方程的一些方法，为此产生了各种各样的方案和途径。,A. 功能模型法功能模型是将一个器件当作一个“模块”来对待。以描述器件的外特性为主，基本上不涉及发生在器件内部的物理效应（或作用）。,1）标准的低功率模型 在一些可利用的电子电路仿真器中，已经建立了大量的标准低功率的器件模型，靠参数优化的方法将这些模型用到功率电子器件建模上。 2）查表 为了仿真的目的，将直接来自测量和计算的数据结果存储起来并能方便的取出，这就是查表操作。这种方法特别适合
9、于器件静态特性的建模，但不适合器件的动态特性的建模。 3）经验公式 功能模型的方程式不是来自于器件的严格物理特性，在大多数的情况下，往往是任意的数学表达式，这些公式来自简化的器件外部观察特性。但有时也能照顾到器件内部的物理特性。器件的端电压和电流能够用这些简化的公式作近似的模拟。,B. 近似解方法这种模型的方程式基于器件的物理特性，但在一些特殊的情况下，方程的确切解不可能得到或受到限制，因此要采用适当的数值运算，这样得到的是近似的数值解。在许多情况下，这种方法有时纯粹来自经验，但在一些严格的边界条件下，完全可能得到正确的解。,1）假定解 2）置换法 3）某些项的忽略法,C. 数值解最精确的解是
10、数值解方法，这种方法是将给定区域离散成有限数量的网孔点。据此分为有限差分法和有限元法。有限差分法同集总电荷法有些相似。有限元法是对于每个被离散的区域使用数学方程作为近似解的方法。,三、电力电子器件模型参数及其提取,一个模型是否精确不仅仅取决于模型本身，它还取决于模型参数。但这个问题在器件建模中并没受到足够的重视。实际上用于电路仿真的器件模型是否对电路的设计者有价值，是取决于模型的参数系列是否可靠。,1. 电力电子器件的模型参数,1）技术参数这些参数涉及到器件结构和材料特性。如：不同区域的长度和宽度、掺杂浓度等。,2）物理参数这些参数是同器件的物理现象有关的参数。像载流子的产生、复合、扩散、载流
11、子的分布、迁移率和载流子的寿命等等。,3）电气参数这些参数决定了器件的电气特性，在有些情况下它们由器件的一些物理和技术参数所构成。典型的参数是：饱和电流、击穿电压、门槛电压、跨导、电流放大系数等。,4）热参数这些参数用来描述器件的热效应。器件的热效应常常通过热阻和热容量来建模，通常要将封装和散热器都加在一起考虑。,5）拟和参数有些参数并不是直接来自器件的物理特性，而是来自对器件测量的数据和曲线，对这些曲线进行建模时产生了曲线拟和参数。曲线拟和的方法有时能够简化建模和优化建模。在建模的过程中也大量使用。但这些参数往往失去了它们的物理意义变成了纯粹的拟和参数。,2. 电力电子器件模型参数的提取虽然
12、器件参数可以从多种途径得到，但最常用的方法是从被测量的器件特性上提取参数。下面介绍两种通过从被测量的器件特性上提取参数的方法。,1）参数优化法测量得到的数据由数学优化的方法进行数据拟和，以使更好地以适配器件模型。,2）参数隔离法器件的特性依赖于精细选取的一个或几个参数，但是参数的隔离不是总能做到的。因为器件的特性是由多个参数所决定的，而且有些参数直接的或间接地相互关联和影响。,2.3 功率二极管模型的建立,功率二极管结构比较,1,静态特性, 电导调制效应：,势垒电容 体电感 正向恢复时间, 因正向电导调制效应且电流大：tFR tRR (普通100s),由UR、线路电感、体电感决定,反向充电建立
13、势垒, 普通PD 100us,PD的分类, 快恢复二极管 (Fast Recovery Diode 0.2us), 软恢复二极管 (Soft Recovery Diode 0.5us), 势垒（肖特基）二极管 (Schottky Barrier Diode 50ns) 反向漏电流大和阻断电压低,600 V 4H-SiC Schottky Diode,2.4.1 SCR模型的建立 SCR原理及特性 1. 基本结构,2.4 SCR、GTO模型的建立,SCR结构及双晶体管模型,SCR内部结构、电场分布及三种工作状态,三菱超高压晶闸管,2开通原理SCR为双极型器件，它具有电子和空穴两种载流子的导电功能
14、。对于P1N1P2晶体管来说，SCR的阳极P1区发射空穴流，形成流向SCR阴极的电流IC1，其值为：IC1=1IA 式中，1为P1NlP2晶体管共基极电流放大系数，它随晶体管发射极电流的增加而增长；IA为SCR的阳极电流。,SCR的阴极电流是IC1与IC2之和。两个晶体管的公共集电结是SCR的中心结J2。每个晶体管的集电极电流为另一晶体管的基极电流，因而构成正反馈回路。,当阳极加正向电压，门极加正触发脉冲后，SCR开通的过程如下：,由图可知，为使SCR导通，门极电流必须满足：,当1+21时，回路产生正反馈作用，两个晶体管均处于饱和导通状态，因而SCR导通。当1+21时，正反馈作用停止，两个晶体
15、管均截止，因而SCR关断。由此可知，SCR是一种具有导通和关断两个稳定状态的开关器件，两种状态转换的关键是1和2的变化。 1+2=1时的阳极电流称为SCR的擎住电流，一旦导通门极就失去控制作用。,3关断原理 当1+21时才能中止SCR内部正反馈回路的作用。使1+21的方法，也即关断SCR的方法有两种。(a)为电流过零关断； (b)为电流反向关断。,SCR关断时阳极电流和电压波形,4. 静态伏安特性及参数,SCR的参数主要有： 断态重复峰值电压UDRM， 反向重复峰值电压URRM， 额定通态平均电流IF， 浪涌电流Iaur， 开通时间ton， 关断时间toff， 断态临界电压上升率duA/dt，
16、 通态临界电流上升率di/dt， 额定结温TJ等。,1建模条件,l 当控制极给出一个正向的控制极电压时，若此时的SCR的阳极为正电位，阴极为负电位，SCR应呈现出一个开关的通态特性。 l 只要阳极有电流流过，SCR应仍为导通状态。 l 当阳极电流为0，或SCR承受反向的阳极电压时，SCR应呈现出一个开关的关断特性。,二. SCR的模型的建立,SCR简单仿真电路模型,光纤驱动 SCR,2.4.2 GTO模型的建立,GTO原理与特性1. 基本结构与特点,结构不同于普通晶闸管，GTO具有自关断能力的全控型晶闸管。它也是PNPN四层结构它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、浪涌能力强和造价便宜
17、等。同时它又具有GTR的一些优点，如具有自关断能力、工作频率较高、使用方便、线路简单、控制功率较小等。,GTO实物图,典型的GTO阴极一门极图形及显示其并联单元结构的断面示意图,GTO的符号与门极阳极电流波形,2 开通原理GTO的PNPN四层结构也可以用双晶体管模型来分析，所以它的开通原理与SCR一样。当GTO的阳极加正电压，门极加足够的正脉冲信号后，GTO即可进人大面积导通状态。,GTO导通时，等效电路中1+2稍大于1而近似等于1(如1.05左右)，因而处于临界导通状态，这就为GTO用门极负信号使1+21，进而关断阳极电流提供了有利条件。SCR的1+2比1大得多(约1.15左右)，器件饱和程
18、度较深，因而用门极负脉冲不足以使1+2达到小于1的程度，因而也就不能用门极负信号去关断阳极电流。这是GTO与SCR的一个极为重要的区别。,3. 关断原理,GTO关断电路与电流波形,GTO的电流关断增益,4. GTO的静态和动态特性,典型的GTO的静态V-I特性曲线,GTO的动态特性,从GTO的建模角度来看，大致有两种主要的模型：,三个PN结建模方法。 两个晶体管（BJT）建模方法。,二. GTO模型的建立,GTO的2T3R模型,GTO的2T3R模型,三. 模型参数的确定,GTO建模的关键是2T-3R电路，可以试选这三个电阻。通过实验表明，这几个电阻对静态曲线影响的灵敏度分别为：,R1对负向斜坡
19、影响最大 R2影响维持电流的值IH R3影响正向击穿电压Vbo,关断增益的最大值,关断增益以下式的形式给出 ：,关断增益的表达式还可以表示为 ：,除了2T-3R细胞的岛特性之外，还要考虑一些其他的因素，才能进行CACD仿真，如,RC 延迟电路以建模延迟时间 在各个岛之间的多重电感耦合产生非均匀岛电流效应由互感M 建模 建模岛表面平面接触产生非均匀性的阴极电流的RKC 建模门接触电阻RGC,经过综合考虑的GTO的2T3R模型,模型参数的确定步骤如下：,步骤一、确定模型使用2T-3R的数目,步骤二、2T-3R细胞按下列方式综合,1）选择 和 ，以满足所希望的的 值,2）选择R1的值，一般这个值选取
20、应等于GTO器件手册中给出的门旁路电阻相同,3）选择的R2值而得到维持电流（ ）。这里的n是细胞数,4）选择R3的值以获得正向击穿电压Vbo,5）检查是否满足S-型负电阻（NDR）特性,步骤三、选择RC延迟电路以获得适当延迟时间,步骤四、选择接触电阻RKC以适当分配在细胞间的阴极电流,步骤五、选择门接触电阻RGC,步骤六、选择互感耦合电抗M以匹配开断电流IA的变化率,以一个2000A/500VEG型的GTO为例：,该GTO器件的测量特性是：,门旁路电阻为2W,步骤一、选2细胞模型，即n = 2,步骤二、每个细胞的维持电流,晶体管的,R1=2W、R2=0.063W 、R3=7.2W,功率GTO不同门驱动电流的静态特性曲线,GTO模型仿真的静态曲线,单细胞2T3R的GTO模型仿真电路,双细胞2T3R的GTO模型仿真电路,GTO模型控制极的动态特性仿真结果,GTO模型阳极电流和电压在开通时的动态特性仿真结果,GTO模型阳极电流和电压在关断时的动态特性仿真结,
