一种适用于电路仿真的高压igbt模块开关暂态模型建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子技术仿真领域，具体涉及一种适用于电路仿真的高压IGBT 模块开关暂态模型建立方法。
【背景技术】
[0002] 绝缘栅双极性晶体管集合了功率M0SFET与双极型器件的双重优点，具有输入阻 抗高、耐高压、承受电流容量大、开关速度快等特性，受到了越来越多的关注和研究。在当前 电力电子技术领域，高压IGBT与二极管构成开关模块已经广泛应用于各种电压源型电力 电子变换装置中，如电压源换流器型直流输电（VSC-HVDC)、静止无功补偿器（STATC0N)等， 对于其开关暂态过程的研究及建模越来越重要。因此，建立精确且实用的IGBT模块开关暂 态模型，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。
[0003] 目前，在电力电子器件的建模研究中，主要采用机理模型和行为模型两大类。机理 模型是利用半导体物理学知识对载流子的电学行为进行简化得到解析表达式进而求解物 理方程。其典型代表有出e化er模型，Kuang Sheng模型和Kraus模型。机理模型的参数获 取对于缺少器件物理知识的用户来说非常困难，且模型含有复杂的半导体物理方程，计算 量大，仿真时间长，存在计算收敛等问题。行为模型相对仿真速度比较快，但是只考虑器件 外特性，物理概念不清楚，参数不易调整，模型通用性相对较差。
[0004] 因此，采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速 度W及IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响，避免求解复杂的半导体物理 方程，基于器件手册数据，建立可模拟高压IGBT模块电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、 二极管反向恢复等开关暂态特性的适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型显得尤 为重要。
【发明内容】
[0005] 为了满足现有技术的需要，针对【背景技术】中所述的机理模型和行为模型存在的不 足，本发明提出了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法。
[0006] -种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于：所述 方法包括W下步骤： 步骤1 ;建立高压IGBT暂态等效模型； 步骤2 ;建立反并联二极管反向恢复模型； 步骤3 ;根据步骤1和步骤2所得到的IGBT暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者 按照高压IGBT模块电路结构连接，修改及增加相应参数和模块，从而建立适用于电路仿真 的高压IGBT模块开关暂态模型。
[0007] 步骤1中，高压IGBT暂态等效模型包括M0S阳T-BJT等效模块、拖尾电流等效模 块、寄生电容等效模块，具体对上述Η种等效模块进行建模如下： (1) MOSFET-BJT 等效模块： IGBT导通时，内部有两个电流通路；1)电子流动产生的电流通路In,对应于MOSFET结 构。2 )空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构。
[0008] IGBT工作于不同状态时，流过M0S阳T电流表达式为：
采用电气等效简化，基于电路仿真要求，可根据BJT的特性近似得到如下关系：
由此，M0SFET-BJT等效模块可采用压控电流源来模拟IGBT模块的通态电流Ic，其解析 表达式如下：
其中，等效跨导足=(1+目）令；^^为栅射极电压；^^；为 IGBT导通口槛电压；^^为IGBT 集射极电压；令为M0S阳T跨导；公为8^电流增益；Λμ为流过M0S阳T电流；/。为流过IGBT 电流即集电极电流； (2) 拖尾电流等效模块： 在IGBT关断暂态过程中，由于IGBT存在BJT，基区大量过剩载流子复合需要时间，使得 关断电流会有较长的拖尾时间。
[0009]
其中τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；（。为拖尾电流起始时间；关断过程中当?? 小于阔值电压时开始拖尾，此时集电极电流为拖尾起始电流/twM。将所述式（4)添加至所 述式（3)中，即得完整的MOS阳T-BJT等效模块。
[0010] (3)寄生电容等效模块： 在数据手册中，输入电容Gm、输出电容日反馈电容Gm是应用中常用的参数。它 们与极间电容的关系如下：
利用所述式（5)结合器件手册数据，得到相应极间寄生电容值，从而完成寄生电容等效 模块。
[0011] 步骤2中，反并联二极管反向恢复模型采用宏模型的思路，结合二极管反向恢复 特性，基于器件数据手册，建立相应等效模型。所述模型相关参数如式（6)所示。
[0012]
其中，τ。为反向恢复衰减时间常数；巧日幼自由量，根据电路仿真要求及实际器件 情况，可取L = 1(Κ)ηΗ，则尉良据式（6)取相应值即可；/"为反向恢复峰值电流；dl fMt为反 向恢复电流斜率；为反向恢复时间；任为反向恢复电荷量，心为反向恢复比例系数。
[0013] 步骤3中，将步骤1和2中两个等效模型，按照高压IGBT模块电路结构连接，由电 路结构模块和自定义控制参数模块组成完整高压IGBT模块开关暂态模型电路。
[0014] 高压IGBT模块的电路结构模块，其特征在于，封装后的IGBT电路结构模块对外 引出G、C、E Η个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内 阻、M0SFET-BJT等效压控电流源和二极管反向恢复等效电路组成。
[0015] 用软件模块采集相应电压电流值输入给模型自定义参数模块，同时接受自定义参 数模块的输出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状 态和各极电压电流的控制。所述电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。
[0016] 自定义参数模块，其特征在于，主要包括寄生电容参数模块、M0SFET-BJT等效电流 源模块W及二极管反向恢复等效电流源模块。该模块接受电路结构模块W及开关暂态模型 相关参数，根据所述建模方法，自定义编程模块，输出相应参数给电路结构模块。
[0017] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是： 1、针对高压IGBT模块应用场合，基于现有模型研究，采用机理推导、电气等效、曲线拟 合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速度，提出了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块 开关暂态模型建立方法。
[0018] 2、本发明由机理推导，物理概念清晰，将IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特 性相互影响综合考虑，结果真实可靠；避免了复杂的物理方程，参数显著减少且容易提取， 根据器件数据手册即可确定；模型参数易调整，适用于不同IGBT及高压应用场合。
[0019] 3、本发明不仅可W实现电路仿真中IGBT模块各种运行状态，而且可W在纳砂级 仿真步长下模拟高压IGBT模块的电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等 开关暂态特性。
【附图说明】
[0020] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0021] 图1是；本发明提供的一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型电路 图； 图2是：本发明实施例中（a)MOSFET-BJT等效模块、化）二极管反向等效模块、（C)极 间寄生电容等效模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图； 图3是：本发明实施例中用于测试及验证模型正确性的二极管巧位的阻感性负载IGBT 模块测试电路； 图4是；本发明实施例中在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路与SAB邸仿真软件下 搭建的测试电路仿真波形对比图； 图5是；本发明实施例中本发明实施例中在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路仿真 波形与实验实测数据对比图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应 用。。
[0023] 本发明提供了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法。
[0024] 图1是本发明提供的一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型电路图。 图1中，高压IGBT模块由电路结构模块和自定义参数模块构成。
[00巧]封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E Η个电极与主电路连接，其内部结 构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、M0SFET-BJT等效压控电流源和二极管反向 恢复等效电路组成。用软件模块采集相应电压电流值输入给模型自定义参数模块，同时接 受自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对 IGBT工作状态和各极电