一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法技術

本發明專利技術提供了一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法，建模方法包括高壓IGBT開關暫態模型和反并聯二極管反向恢復模型建立方法。本發明專利技術基于機理推導、電氣等效、器件手冊數據分析、數學擬合等方法，用壓控電流源、可變電容等電路元件以及自定義編程模塊算法可在PSCAD、SIMULINK、SABER等電路仿真平臺建立模型。和現有技術相比，本發明專利技術提供的適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型，不僅可以實現電路仿真中IGBT模塊各種運行狀態，而且可以在納秒級仿真步長下模擬高壓IGBT模塊的電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺、二極管反向恢復等開關暫態特性。因此，本發明專利技術對于研究高壓IGBT模塊在柔性直流輸電領域的損耗分析、控制保護策略有一定的促進作用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電力電子技術仿真領域，具體涉及一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法。
技術介紹
絕緣柵雙極性晶體管集合了功率MOSFET與雙極型器件的雙重優點，具有輸入阻抗高、耐高壓、承受電流容量大、開關速度快等特性，受到了越來越多的關注和研究。在當前電力電子
，高壓IGBT與二極管構成開關模塊已經廣泛應用于各種電壓源型電力電子變換裝置中，如電壓源換流器型直流輸電(VSC-HVDC)、靜止無功補償器(STATCON)等，對于其開關暫態過程的研究及建模越來越重要。因此，建立精確且實用的IGBT模塊開關暫態模型，對變換器的安全可靠運行和電氣性能優化具有重要的指導意義。目前，在電力電子器件的建模研究中，主要采用機理模型和行為模型兩大類。機理模型是利用半導體物理學知識對載流子的電學行為進行簡化得到解析表達式進而求解物理方程。其典型代表有：Hefner模型，KuangSheng模型和Kraus模型。機理模型的參數獲取對于缺少器件物理知識的用戶來說非常困難，且模型含有復雜的半導體物理方程，計算量大，仿真時間長，存在計算收斂等問題。行為模型相對仿真速度比較快，但是只考慮器件外特性，物理概念不清楚，參數不易調整，模型通用性相對較差。因此，采用機理推導、電氣等效、曲線擬合等方法，綜合考慮模型準確度和仿真速度以及IGBT的暫態特性與二極管的反向恢復特性相互影響，避免求解復雜的半導體物理方程，基于器件手冊數據，建立可模擬高壓IGBT模塊電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺、二極管反向恢復等開關暫態特性的適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型顯得尤為重要。
技術實現思路
為了滿足現有技術的需要，針對
技術介紹
中所述的機理模型和行為模型存在的不足，本專利技術提出了一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法。一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：步驟1：建立高壓IGBT暫態等效模型；步驟2：建立反并聯二極管反向恢復模型；步驟3：根據步驟1和步驟2所得到的IGBT暫態模型和二極管反向恢復模型，將兩者按照高壓IGBT模塊電路結構連接，修改及增加相應參數和模塊，從而建立適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型。步驟1中，高壓IGBT暫態等效模型包括MOSFET-BJT等效模塊、拖尾電流等效模塊、寄生電容等效模塊，具體對上述三種等效模塊進行建模如下：（1）MOSFET-BJT等效模塊：IGBT導通時，內部有兩個電流通路：1）電子流動產生的電流通路In，對應于MOSFET結構。２）空穴流動產生的電流通路Ip，對應于BJT結構。IGBT工作于不同狀態時，流過MOSFET電流表達式為：（1）采用電氣等效簡化，基于電路仿真要求，可根據BJT的特性近似得到如下關系：（2）由此，MOSFET-BJT等效模塊可采用壓控電流源來模擬IGBT模塊的通態電流Ic，其解析表達式如下：（3）其中，等效跨導K=（1+β）Kp；Vge為柵射極電壓；VT為IGBT導通門檻電壓；Vce為IGBT集射極電壓；Kp為MOSFET跨導；β為BJT電流增益；Imos為流過MOSFET電流；Ic為流過IGBT電流即集電極電流；（2）拖尾電流等效模塊：在IGBT關斷暫態過程中，由于IGBT存在BJT，基區大量過剩載流子復合需要時間，使得關斷電流會有較長的拖尾時間。（4）其中τ為少數載流子壽命即拖尾時間常數；t0為拖尾電流起始時間；關斷過程中當Vge小于閾值電壓時開始拖尾，此時集電極電流為拖尾起始電流Itail0。將所述式（4）添加至所述式（3）中，即得完整的MOSFET-BJT等效模塊。（3）寄生電容等效模塊：在數據手冊中，輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres是應用中常用的參數。它們與極間電容的關系如下：（5）利用所述式（5）結合器件手冊數據，得到相應極間寄生電容值，從而完成寄生電容等效模塊。步驟2中，反并聯二極管反向恢復模型采用宏模型的思路，結合二極管反向恢復特性，基于器件數據手冊，建立相應等效模型。所述模型相關參數如式（6）所示。（6）其中，τre為反向恢復衰減時間常數；R和L為自由量，根據電路仿真要求及實際器件情況，可取L＝100nH，則R根據式（6）取相應值即可；Irm為反向恢復峰值電流；dIf/dt為反向恢復電流斜率；trr為反向恢復時間；Qrr為反向恢復電荷量，Kre為反向恢復比例系數。步驟3中，將步驟1和2中兩個等效模型，按照高壓IGBT模塊電路結構連接，由電路結構模塊和自定義控制參數模塊組成完整高壓IGBT模塊開關暫態模型電路。高壓IGBT模塊的電路結構模塊，其特征在于，封裝后的IGBT電路結構模塊對外引出G、C、E三個電極與主電路連接，其內部結構由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內阻、MOSFET-BJT等效壓控電流源和二極管反向恢復等效電路組成。用軟件模塊采集相應電壓電流值輸入給模型自定義參數模塊，同時接受自定義參數模塊的輸出作為壓控電流源的控制源，由柵極G引入驅動電壓信號，實現對IGBT工作狀態和各極電壓電流的控制。所述電路結構模塊和IGBT靜態和動態特性緊密對應。自定義參數模塊，其特征在于，主要包括寄生電容參數模塊、MOSFET-BJT等效電流源模塊以及二極管反向恢復等效電流源模塊。該模塊接受電路結構模塊以及開關暫態模型相關參數，根據所述建模方法，自定義編程模塊，輸出相應參數給電路結構模塊。與最接近的現有技術相比，本專利技術的優異效果是：1、針對高壓IGBT模塊應用場合，基于現有模型研究，采用機理推導、電氣等效、曲線擬合等方法，綜合考慮模型準確度和仿真速度，提出了一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法。2、本專利技術由機理推導，物理概念清晰，將IGBT的暫態特性與二極管的反向恢復特性相互影響綜合考慮，結果真實可靠；避免了復雜的物理方程，參數顯著減少且容易提取，根據器件數據手冊即可確定；模型參數易調整，適用于不同IGBT及高壓應用場合。3、本專利技術不僅可以實現電路仿真中IGBT模塊各種運行狀態，而且可以在納秒級仿真步長下模擬高壓IGBT模塊的電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺、二極管反向恢復等開關暫態特性。附圖說明下面結合附圖對本專利技術進一步說明。圖1是：本專利技術提供的一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型電路圖；圖2是：本專利技術實施例中（a）MOSFET-BJT等效模塊、(b)二極管反向等效模塊、(c)極間寄生電容等效模塊在PSCAD/EMTDC平臺下的實現電路圖；圖3是：本專利技術實施例中用于測試及驗證模型正確性的二極管箝位的阻感性負載IGBT模塊測試電路；圖4是：本專利技術實施例中在PSCAD/EMTDC平臺下搭建的測試電路與SABER仿真軟件下搭建的測試電路仿真波形本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：步驟1：建立高壓IGBT暫態等效模型；步驟2：建立反并聯二極管反向恢復模型；步驟3：根據步驟1和步驟2所得到的IGBT暫態模型和二極管反向恢復模型，將兩者按照高壓IGBT模塊電路結構連接，修改及增加相應參數和模塊，從而建立適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型。

【技術特征摘要】
1.一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：
步驟1：建立高壓IGBT暫態等效模型；
步驟2：建立反并聯二極管反向恢復模型；
步驟3：根據步驟1和步驟2所得到的IGBT暫態模型和二極管反向恢復模型，將兩者按照高壓IGBT模塊電路結構連接，修改及增加相應參數和模塊，從而建立適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型。
2.如權利要求1所述一種適用于電路仿真的高壓IGBT模塊開關暫態模型建立方法，其特征在于，所述步驟1中，高壓IGBT暫態等效模型包括MOSFET-BJT等效模塊、拖尾電流等效模塊、寄生電容等效模塊，具體對上述三種等效模塊進行建模如下：
（1）MOSFET-BJT等效模塊：
IGBT導通時，內部有兩個電流通路：1）電子流動產生的電流通路In，對應于MOSFET結構；
２）空穴流動產生的電流通路Ip，對應于BJT結構；
IGBT工作于不同狀態時，流過MOSFET電流表達式為：
（1）
采用電氣等效簡化，基于電路仿真要求，可根據BJT的特性近似得到如下關系：
（2）
由此，MOSFET-BJT等效模塊可采用壓控電流源來模擬IGBT模塊的通態電流Ic，其解析表達式如下：
（3）
其中，等效跨導K=（1+β）Kp；Vge為柵射極電壓；VT為IGBT導通門檻電壓；Vce為IGBT集射極電壓；Kp為MOSFET跨導；β為BJT電流增益；Imos為流過MOSFET電流；Ic為流過IGBT電流即集電極電流；
（2）拖尾電流等效模塊：
在IGBT關斷暫態過程中，由于IGBT存在BJT，基區大量過剩載流子復合需要時間，使得關斷電流會有較長的拖尾時間；
（4）
其中τ為少數載流子壽命即拖尾時間常數；t0為拖尾電流起始時間；關斷過程中當Vge小于閾值電壓時開始拖尾，此時集電極電流為拖尾起始電流Itail0；
將所述式（4）添加至所述式（3）中，即得完整的MOSFET-BJT等效模塊；
（3）寄生電容等效模塊：
在數據手冊中，輸入電容Cies、輸出電...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐延明，許建中，趙成勇，劉啟建，徐瑩，宋方方，
申請(專利權)人：華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京;11