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 功能型模型簡要的說， IGCT 的開關裝置和 GTO 的相 同，但是關斷裝置很不一樣。當 IGCT 開通時， N 溝道 MOSFET 隨著 GCT 同步開通。當 IGCT3 2 通斷狀態(tài)的仿真當 IGCT 再導通狀態(tài)，端電壓可以通過式（ 1）表示，在式中 VT0 1.80V ， rT 2m 。在這個模型中都被忽略。VT VT 0 i rT(1)1 緒論 電力電子裝置是電力電子學和其應用設備 的基礎。再最近的 40 年里，從 SCR，GTO （門 關斷晶閘管） ，IGBT （隔離門雙極晶體管） ，電 力半導體經(jīng)過了連續(xù)的發(fā)展。 MCT （ MOSFET 控制晶閘管）

2、 曾經(jīng)被預測是電力電子裝置在新世 紀的主要驅(qū)動力， 因為其復雜的技術， 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 爭， IGCT 就是這個時期出現(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， ASVG ， FACTs，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 當作

3、一個“黑箱” ，描述其外部能夠觀察到的行 為，不細節(jié)性的考慮裝置內(nèi)部發(fā)生的物理上的影 響。這個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 的變流器的計算機輔助設計。2 機構和工作原理IGCT 是集成門驅(qū)動電路和門換向晶閘管 （ GCT ）的總稱。以 4500V/2000A 的 IGCT 為例， 25 個 N 溝道 MOSFET 在陰極串聯(lián)， 7個 P 溝道 的 MOSFET 在門極起齊納擊穿的作用。等效圖 見圖 1。關斷，門極 P 溝道 MOSFET 首先開通，使部分 的主電路電流從陰極換向到門極。 然后， 陰極處 的 N 溝道 MOSFET 關斷，

4、使整個電流通過門極。 這個傳遞大概需要 1 秒完成。 GCT 的門極和陰 極間的 PN 極將反向阻斷，有效的退出工作。使 得 IGCT 成為一個沒有基極的晶體管， 關斷一律 象晶體管一樣沒有任何的載波收縮效應。類似 GTO， IGCT 的關斷也有拖尾時期。3 IGCT 的結構3 1 開通和關斷延遲的仿真在模型中有四個主要部分， 開通和關斷延遲 輔助電路， 開通和關斷的穩(wěn)態(tài)輔助電路， 開通仿 真和關斷仿真輔助電路。下面用 5SHX08F4502 型 IGCT 為例，闡述 IGCT 的 GCTBU 部分，二 極管部分沒有被考慮。 GCT 的主要的參數(shù)在表 1 中列出。總的來說，通過在功能模型中的延

5、遲和邏輯 電路的認識， IGCT 的開通和關斷時間是不變的。當 IGCT 在關斷狀態(tài)時，重復峰值電流低 于 20mA ，通常被忽略為零。 因此在兩個穩(wěn)態(tài)中， IGCT 分別被仿真為零電壓和零電流。然而理想 的開關，開關邏輯和被控電壓，電流源被使用，以至于給導通和關斷瞬態(tài)相同的重視。 相關的輔 助電路在圖 2（b）中闡述。圖中， S1，S2， S3 都是理想開關。 VCVS 是電壓控制電壓源，在 IGCT 的導通狀態(tài)下輸出是 0V 。VCCS 是電壓控 制電流源，在關斷狀態(tài)下輸出是0A 。 Gon 是延時觸發(fā)信號用于調(diào)節(jié)兩個被控電源的相互活動 時間。VCVS 和 VCCS 分別在開通和阻斷狀態(tài)中

6、 起作用。 Vsen 和 I sen 是來自于端電壓和正電流傳 感器的信號。3 3 開通時的仿真 在這個模式下的開通和關斷， 能被獨立的模 擬仿真。在開通期間， 一個類似的電壓用于控制 VCVS 模擬 IGCT 的開通端電壓， 決定于延時門 信號和 IGCT 的電壓傳感器。 輔助電路在圖 2（c） 中給出。在圖 2（ c）中， Vsen被給定 IGCT 導通時的 端電壓的值。 Gon 是一個延時門信號。 VP 和 VN 是兩個輸入端，在這個兩個之間壓降通過Con當 IGCT 導通，即 Gon =1 ，輔助電路等效于 一個二階電路， 等效方程如 2 中給出。電容 Con 電壓為狀態(tài)參數(shù)。d 2u

7、cduc ducLC2c RC c uc Eon ,（C c 0）dt 2dtc on dt（2）因此：uc Ae t cos（ Dt） B（ 3）arctan( D 2 ),(D 1) (7)1 D 2（2）-（7） 式在 D tr ， D 1的條件下，IGCT 的導通動態(tài)過程可以被仿真。在這些條件 下，即使當 IGCT 在穩(wěn)態(tài)下， Con 上電壓為零。3 4 關斷仿真在 IGCT 關斷狀態(tài)動態(tài)過程中， 一個類似的 電壓用于控制 VCCS 控制關斷 IGCT 的正向電 流，決定于門信號和正向電流傳感器。 輔助電路 在圖 2（ d），比輔助開通動態(tài)電路復雜的多，由 于 IGCT 關斷過程中的復

8、雜的正向電流。在圖 2（d）中， Isen 被給定 IGCT 在關斷時 的正向電流的值。 Goff 是一個門延時信號。 IP 和 IN 是兩個輸入端，在這個兩個之間壓降通過 Coff 。當 IGCT 關斷，即Goff =1，這個輔助電路可 以被兩個二階方程?；诤侠淼膮?shù)選擇，當 IGCT 在關端穩(wěn)態(tài)， Coff 的電壓衰減到零在關端 和保持為零的兩個正弦部分。3 5 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。 通過比 較仿真和相關的測試， 在模型最終被建立前， 這 些參數(shù)被校正。4 仿真和實驗測試電路的仿真圖在圖 4 中給出。 Ls1，Ls

9、2在校正過建立的 IGCT 的模型后， 模型中的 任何一個參數(shù)都不需要， 也不能被改變。 作為一 個例子，模型被用于一個 IGCT 的測試仿真中， 簡圖在圖 3 中給出。這個電路相等于一個整流 橋，2，3 級為電壓源逆變器。 DUT （測試中的 裝置）有一個反向?qū)ǖ?IGCT ，一個不對稱的 IGCT 或 者 一 個 IGCT 二 極 管 。 這 里 是 5SHX08F4502 型 IGCT 。電路的主要參數(shù)在表 3 中列出。和 Ls3 是電路的寄生電感。 Ls1（120nH）是嵌位 電容 Ccl的寄生電感。 Ls2是 Rs 的寄生電感，為 100Nh。 Ls3 是換向回路的寄生電感，為了對應 于特殊的測試，被放大到 6.4uH 。在相對低電壓和小電流測試中， L s3 的影響被單獨的考慮。IGCT 關斷時的端電壓和正向電流在圖 5（a）（ b） 中給出，分別與仿真和實驗結果相對應。構，靈活的參數(shù)選擇， 快速的計算和輔助電路的 實現(xiàn)形