用于大功率變流器的IGCT功能型模型

1、用于大功率變流器的IGCT功能型模型1緒論電力電子裝置是電力電子學(xué)和其應(yīng)用設(shè)備的基礎(chǔ)。再最近的40年里，從SCR，GTO（門(mén)關(guān)斷晶閘管），IGBT（隔離門(mén)雙極晶體管），電力半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)了連續(xù)的發(fā)展。MCT（MOSFET控制晶閘管）曾經(jīng)被預(yù)測(cè)是電力電子裝置在新世紀(jì)的主要驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)槠鋸?fù)雜的技術(shù)，低的生產(chǎn)合格率和高成本已經(jīng)被主要的企業(yè)放棄了。MCT的流產(chǎn)，引起了高電壓裝置的一系列的競(jìng)爭(zhēng)，IGCT就是這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的。盡管它只是一種初生的裝置，但在高電壓裝置重已經(jīng)起了很重要的作用了，例如可調(diào)節(jié)的速度驅(qū)動(dòng)，ASVG，F(xiàn)ACTs，等等裝置?；诓煌姆抡娣椒?，產(chǎn)生了各種各樣的IGCT的模型，例如功能模型，近

2、似的解決方法，數(shù)字解決方法，等等，其仿真的工具也不同，如：SABER，PSPICE，SIMEN，PSIM等。這篇文章所描述的IGCT是在功能水平上的。我們把它當(dāng)作一個(gè)“黑箱”，描述其外部能夠觀(guān)察到的行為，不細(xì)節(jié)性的考慮裝置內(nèi)部發(fā)生的物理上的影響。這個(gè)模型在要求仿真速度和決定參數(shù)的可行性上做了有效的折中，這樣很適合仿真和裝備IGCT的變流器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。2機(jī)構(gòu)和工作原理IGCT是集成門(mén)驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)換向晶閘管（GCT）的總稱(chēng)。以4500V/2000A的IGCT為例，25個(gè)N溝道MOSFET在陰極串聯(lián)，7個(gè)P溝道的MOSFET在門(mén)極起齊納擊穿的作用。等效圖見(jiàn)圖1。簡(jiǎn)要的說(shuō)，IGCT的開(kāi)關(guān)裝置和G

3、TO的相同，但是關(guān)斷裝置很不一樣。當(dāng)IGCT開(kāi)通時(shí)，N溝道MOSFET隨著GCT同步開(kāi)通。當(dāng)IGCT關(guān)斷，門(mén)極P溝道MOSFET首先開(kāi)通，使部分的主電路電流從陰極換向到門(mén)極。然后，陰極處的N溝道MOSFET關(guān)斷，使整個(gè)電流通過(guò)門(mén)極。這個(gè)傳遞大概需要1秒完成。GCT的門(mén)極和陰極間的PN極將反向阻斷，有效的退出工作。使得IGCT成為一個(gè)沒(méi)有基極的晶體管，關(guān)斷一律象晶體管一樣沒(méi)有任何的載波收縮效應(yīng)。類(lèi)似GTO，IGCT的關(guān)斷也有拖尾時(shí)期。3 IGCT的結(jié)構(gòu)31 開(kāi)通和關(guān)斷延遲的仿真在模型中有四個(gè)主要部分，開(kāi)通和關(guān)斷延遲輔助電路，開(kāi)通和關(guān)斷的穩(wěn)態(tài)輔助電路，開(kāi)通仿真和關(guān)斷仿真輔助電路。下面用5SHX08

4、F4502型IGCT為例，闡述IGCT的GCTBU部分，二極管部分沒(méi)有被考慮。GCT的主要的參數(shù)在表1中列出?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)在功能模型中的延遲和邏輯電路的認(rèn)識(shí)，IGCT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間是不變的。32 通斷狀態(tài)的仿真當(dāng)IGCT再導(dǎo)通狀態(tài)，端電壓可以通過(guò)式（1）表示，在式中V，。在這個(gè)模型中都被忽略。 (1)當(dāng)IGCT在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，重復(fù)峰值電流低于20mA，通常被忽略為零。因此在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)中，IGCT分別被仿真為零電壓和零電流。然而理想的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)邏輯和被控電壓，電流源被使用，以至于給導(dǎo)通和關(guān)斷瞬態(tài)相同的重視。相關(guān)的輔助電路在圖2（b）中闡述。圖中，S1，S2，S3都是理想開(kāi)關(guān)。VCVS是電壓控制電

5、壓源，在IGCT的導(dǎo)通狀態(tài)下輸出是0V。VCCS是電壓控制電流源，在關(guān)斷狀態(tài)下輸出是0A。是延時(shí)觸發(fā)信號(hào)用于調(diào)節(jié)兩個(gè)被控電源的相互活動(dòng)時(shí)間。VCVS和VCCS分別在開(kāi)通和阻斷狀態(tài)中起作用。和是來(lái)自于端電壓和正電流傳感器的信號(hào)。33 開(kāi)通時(shí)的仿真在這個(gè)模式下的開(kāi)通和關(guān)斷，能被獨(dú)立的模擬仿真。在開(kāi)通期間，一個(gè)類(lèi)似的電壓用于控制VCVS模擬IGCT的開(kāi)通端電壓，決定于延時(shí)門(mén)信號(hào)和IGCT的電壓傳感器。輔助電路在圖2（c）中給出。在圖2（c）中，被給定IGCT導(dǎo)通時(shí)的端電壓的值。是一個(gè)延時(shí)門(mén)信號(hào)。VP和VN是兩個(gè)輸入端，在這個(gè)兩個(gè)之間壓降通過(guò)當(dāng)IGCT導(dǎo)通，即=1，輔助電路等效于一個(gè)二階電路，等效方程

6、如2中給出。電容電壓為狀態(tài)參數(shù)。 （2）因此： （3）這里， (4)， (5)， (6) (7)(2)-(7)式在，的條件下，IGCT的導(dǎo)通動(dòng)態(tài)過(guò)程可以被仿真。在這些條件下，即使當(dāng)IGCT在穩(wěn)態(tài)下，上電壓為零。34 關(guān)斷仿真在IGCT關(guān)斷狀態(tài)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，一個(gè)類(lèi)似的電壓用于控制VCCS控制關(guān)斷IGCT的正向電流，決定于門(mén)信號(hào)和正向電流傳感器。輔助電路在圖2（d），比輔助開(kāi)通動(dòng)態(tài)電路復(fù)雜的多，由于IGCT關(guān)斷過(guò)程中的復(fù)雜的正向電流。在圖2（d）中，被給定IGCT在關(guān)斷時(shí)的正向電流的值。是一個(gè)門(mén)延時(shí)信號(hào)。IP和IN是兩個(gè)輸入端，在這個(gè)兩個(gè)之間壓降通過(guò)。當(dāng)IGCT關(guān)斷，即=1，這個(gè)輔助電路可以被兩個(gè)二

7、階方程。基于合理的參數(shù)選擇，當(dāng)IGCT在關(guān)端穩(wěn)態(tài)，的電壓衰減到零在關(guān)端和保持為零的兩個(gè)正弦部分。35 參數(shù)選擇根據(jù)物理特性，表1IGCT的參數(shù)和上面的等效的描述，主要的參數(shù)在表2中決定。通過(guò)比較仿真和相關(guān)的測(cè)試，在模型最終被建立前，這些參數(shù)被校正。4 仿真和實(shí)驗(yàn)在校正過(guò)建立的IGCT的模型后，模型中的任何一個(gè)參數(shù)都不需要，也不能被改變。作為一個(gè)例子，模型被用于一個(gè)IGCT的測(cè)試仿真中，簡(jiǎn)圖在圖3中給出。這個(gè)電路相等于一個(gè)整流橋，2，3級(jí)為電壓源逆變器。DUT（測(cè)試中的裝置）有一個(gè)反向?qū)ǖ腎GCT，一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的IGCT或者一個(gè)IGCT二極管。這里是5SHX08F4502型IGCT。電路的主要參數(shù)在表3中列出。測(cè)試電路的仿真圖在圖4中給出。，和是電路的寄生電感。（120nH）是嵌位電容的寄生電感。是的寄生電感，為100Nh。是換向回路的寄生電感，為了對(duì)應(yīng)于特殊的測(cè)試，被放大到6.4uH。在相對(duì)低電壓和小電流測(cè)試中，的影響被單獨(dú)的考慮。IGCT關(guān)斷時(shí)的端電壓和正向電流在圖5（a）（b）中給出，分別與仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。5 結(jié)論通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，我們很明顯可以看出文章中所描述的模型