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）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(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，F(xiàn)ACTs，等等裝置?；诓煌姆抡娣椒ǎa(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。我們把它當作一個“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(gòu)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。簡要的說，IGCT的開關裝置和G

3、TO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IGCT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，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(jié)構(gòu)31 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5SHX08

4、F4502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?？偟膩碚f，通過在功能模型中的延遲和邏輯電路的認識，IGCT的開通和關斷時間是不變的。32 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V，。在這個模型中都被忽略。 (1)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

5、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。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)中起作用。和是來自于端電壓和正電流傳感器的信號。33 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，被給定IGCT導通時的端電壓的值。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當IGCT導通，即=1，輔助電路等效于一個二階電路，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，上電壓為零。34 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關斷過程中的復雜的正向電流。在圖2（d）中，被給定IGCT在關斷時的正向電流的值。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。當IGCT關斷，即=1，這個輔助電路可以被兩個二

7、階方程?；诤侠淼膮?shù)選擇，當IGCT在關端穩(wěn)態(tài)，的電壓衰減到零在關端和保持為零的兩個正弦部分。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腎GCT，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。測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，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(jié)果相對應。5 結(jié)論通過仿真和實驗結(jié)果的比較，我們很明顯可以看出文章中所描述的模型