徐延明，趙成勇，周　飛，徐　瑩，劉啟建

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102200）

適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型研究

徐延明1，趙成勇1，周飛2，徐瑩1，劉啟建1

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102200）

高壓IGBT與二極管構(gòu)成IGBT模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域。然而現(xiàn)有仿真研究難以模擬IGBT模塊中IGBT與二極管各自詳細(xì)開關(guān)暫態(tài)特性及相互影響，因此提出一種適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型及其參數(shù)通用提取方法。模型采用機(jī)理推導(dǎo)、電氣等效、曲線擬合等方法在PSCAD、SABER等電路仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，無需獲取器件底層參數(shù)和求解復(fù)雜物理方程，不僅可以實(shí)現(xiàn)電路仿真中IGBT模塊的各種運(yùn)行狀態(tài)，而且可以在納秒級(jí)步長下模擬其電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺(tái)等開關(guān)暫態(tài)特性。通過與SABER中通用模型仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形對(duì)比分析，驗(yàn)證了IGBT模塊暫態(tài)模型和參數(shù)提取方法的正確性和通用性，為進(jìn)一步將模型應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)仿真、電磁干擾及損耗分析、控制策略等研究打下基礎(chǔ)。

絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）；二極管；參數(shù)提??；暫態(tài)模型

引言

當(dāng)前，IGBT與二極管構(gòu)成IGBT模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，如電壓源換流器型直流輸電、靜止無功補(bǔ)償器等，對(duì)于其開關(guān)暫態(tài)過程的研究及建模越來越重要［1-4］。建立適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型，對(duì)變換器的安全可靠運(yùn)行和電氣性能優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義［5-7］。

目前，在電力電子器件的建模研究中，主要采用機(jī)理模型和行為模型兩大類［8-15］。機(jī)理模型其典型代表有：Hefner模型［8］、Kuang Sheng模型［9］和Kraus模型［10］，底層器件參數(shù)獲取困難，且模型含有復(fù)雜的半導(dǎo)體物理方程，計(jì)算量大，存在計(jì)算收斂等問題；行為模型相對(duì)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(shù)不易調(diào)整，模型通用性相對(duì)較差［11］。

文獻(xiàn)［2］提出一種適用于復(fù)雜電路IGBT模型，但是其建模過程和參數(shù)提取涉及求解超越方程，較為復(fù)雜且未對(duì)二極管特性進(jìn)行建模；文獻(xiàn)［12］建立了數(shù)值模型，但是多基于數(shù)學(xué)分析擬合時(shí)域表達(dá)式，器件物理特性及參數(shù)概念不清晰且模型通用性較差；文獻(xiàn)［13］搭建了IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)，但是其側(cè)重于準(zhǔn)確測量器件特性并未對(duì)IGBT及二極管的暫態(tài)特性及參數(shù)提取進(jìn)行詳細(xì)分析。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)IGBT開關(guān)過程的研究分析各有不足，鮮有考慮二極管特性影響。本文從IGBT和二極管的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性出發(fā)，分階段詳細(xì)研究了IGBT模塊開通關(guān)斷過程，結(jié)合電路仿真分析特點(diǎn)，避開器件底層參數(shù)獲取以及求解半導(dǎo)體物理方程，建立了適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型并提出基于器件手冊的模型參數(shù)通用提取方法。模型綜合考慮尖峰電流電壓、米勒平臺(tái)、拖尾電流、二極管反向恢復(fù)等影響，在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，通過與SABER通用模型仿真以及實(shí)測波形對(duì)比來驗(yàn)證模型的精確性及通用性。

1　IGBT暫態(tài)模型

IGBT暫態(tài)模型由連接成偽達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的雙極性PNP晶體管BJT（bipolar junction transistor）、驅(qū)動(dòng)它的N溝道MOSFET、各極間寄生電容和柵極內(nèi)阻組成，如圖1所示。相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1　IGBT暫態(tài)等效模型Fig.1　IGBT transient equivalent model

表1　IGBT寄生電容及內(nèi)阻Tab.1　Parasitic capacitor and resistor of IGBT

IGBT導(dǎo)通時(shí)，其雙極性結(jié)構(gòu)中有空穴和電子2種導(dǎo)電載流子，內(nèi)部有2個(gè)電流通路：① 電子流動(dòng)產(chǎn)生的電流通路In，對(duì)應(yīng)于MOSFET結(jié)構(gòu)；②空穴流動(dòng)產(chǎn)生的電流通路Ip，對(duì)應(yīng)于BJT結(jié)構(gòu)。

1.1MOSFET-BJT模塊

IGBT特性主要由MOSFET和BJT決定，而MOSFET的跨導(dǎo)Kp和BJT的電流增益β參數(shù)提取涉及器件底層參數(shù)較難獲得，機(jī)理復(fù)雜。因此，本文基于器件手冊上提供的IGBT模塊輸出特性曲線，采用壓控電流源來模擬MOSFET與BJT的特性，建立MOSFET-BJT模塊。

IGBT的輸出及轉(zhuǎn)移特性曲線與MOSFET較為相似。因此，建立模型時(shí)可以參考研究相對(duì)成熟的MOSFET模型再結(jié)合BJT的特性，即可相對(duì)準(zhǔn)確地模擬IGBT特性。

基于器件手冊中相關(guān)IGBT特性曲線，隨著柵射極電壓Vge、閾值電壓VT及集射極電壓Vce之間數(shù)值關(guān)系變化，IGBT器件將工作于不同狀態(tài)，用相應(yīng)的電壓電流解析表達(dá)式近似描述對(duì)應(yīng)的特性。

（1）當(dāng)Vge＜VT時(shí)，IGBT工作于截止區(qū)，不導(dǎo)通。

（2）當(dāng)Vce＜Vge-VT時(shí)，IGBT工作于飽和區(qū)，流過MOSFET的電流表達(dá)式為

（3）當(dāng)Vce＞Vge-VT時(shí)，IGBT工作于放大區(qū)，流過MOSFET的電流表達(dá)式為

由于通過BJT的電流機(jī)理分析需要涉及復(fù)雜的載流子波動(dòng)方程，采用電氣等效簡化，基于電路仿真要求，根據(jù)BJT的特性近似得到

因此，MOSFET-BJT模塊可采用壓控電流源來模擬IGBT模塊的通態(tài)電流Ic，其解析表達(dá)式為

式中：K為等效跨導(dǎo)，（K=（1+β）Kp）；VT為門檻電壓。參數(shù)的提取基于器件手冊。

在IGBT關(guān)斷暫態(tài)過程中，由于IGBT存在BJT，基區(qū)大量過剩載流子復(fù)合需要時(shí)間，使得關(guān)斷電流會(huì)有較長的拖尾時(shí)間。在計(jì)算中，模型關(guān)于關(guān)斷拖尾電流部分等效可用指數(shù)衰減函數(shù)描述，其拖尾電流Itail近似表達(dá)式為

式中：τ為少數(shù)載流子壽命即拖尾時(shí)間常數(shù)；t為拖尾起始后仿真時(shí)間；t0為拖尾電流起始時(shí)刻。關(guān)斷過程中，當(dāng)Vge小于門檻電壓時(shí)開始拖尾，此時(shí)集電極電流為拖尾起始電流Itail0。將式（5）按條件添加至式（4）中，即得完整的MOSFET-BJT模塊。

1.2寄生電容模塊

IGBT極間寄生電容有2種類型：一種是與MOS結(jié)構(gòu)有關(guān)的MOS電容，如Cge和Cgc；另一種是與PN結(jié)有關(guān)的電容，如Cce。由于寄生電容模擬也需要涉及半導(dǎo)體物理層面參數(shù)，且暫態(tài)過程變化較為復(fù)雜，本文基于器件手冊電容特性曲線，對(duì)暫態(tài)過程各極間寄生電容隨極間電壓變化進(jìn)行分析，建立寄生電容模塊。

IGBT暫態(tài)過程中近似認(rèn)為Cge與Cce為定值電容。當(dāng)接入驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，為了保持柵極電壓的穩(wěn)定，在柵極和集電極間并聯(lián)電容Cgc，包括IGBT內(nèi)部交疊氧化電容Coxd和耗盡層電容Cdep，其中Coxd近似固定，而Cdep隨柵-集極耗盡層寬度即柵集極間電壓大小而變化，其表達(dá)式為

柵-集極間電容Cgc的近似表達(dá)式為

2　二極管暫態(tài)模型

二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)變?yōu)榉聪蜃钄喾Q為反向恢復(fù)。當(dāng)正向?qū)ǖ亩O管外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，該二極管并不能立即關(guān)斷，而是需要清除掉PN結(jié)兩側(cè)儲(chǔ)存的大量少子才能獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷前，有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

目前，電力二極管模型可以分為兩類：機(jī)理模型和行為模型。機(jī)理模型通常由許多數(shù)學(xué)等式和參數(shù)組成，參數(shù)復(fù)雜且難于提取與仿真；行為模型由電氣等效電路組成，不直接反映器件內(nèi)部物理參數(shù)及特性，適用于電路仿真。本文先分析二極管反向恢復(fù)過程，再結(jié)合現(xiàn)有模型特點(diǎn)，采用行為模型的思路，基于器件手冊，建立相應(yīng)的二極管暫態(tài)模型。

如圖2所示為二極管反向恢復(fù)特性及暫態(tài)模型，由理想二極管、RL并聯(lián)電路及壓控電流源組成。其中，IF為正向電流，Rf為正向通態(tài)電阻，dif/dt為二極管正向電流斜率，trr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間，Irm為反向恢復(fù)電流峰值，Qrr為反向恢復(fù)電荷量，RL并聯(lián)電路參數(shù)，用于模擬反向恢復(fù)時(shí)間常數(shù)。

圖2　二極管反向恢復(fù)特性及模型電路Fig.2　Diode reverse recovery characteristics and transient model

二極管反向恢復(fù)過程如下。

當(dāng)0＜t＜t0時(shí)，輸入電壓由正向變?yōu)榉聪颍螂娏鏖_始下降，速率由反向電壓和電路中的電感決定，而管壓降由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)基本變化不大。至t0時(shí)刻正向電流降為0。

當(dāng)t0＜t＜t1時(shí)，二極管PN結(jié)兩側(cè)少子在外加反向電壓的作用下被抽取出電力二極管，流過較大的反向電流。電感兩端電壓（VL=Ldif/dt），通過壓控電流源產(chǎn)生反向電流。直至t1時(shí)刻電流達(dá)到峰值Irm，空間電荷區(qū)附近少子抽盡，管壓降變?yōu)樨?fù)極性。

當(dāng)t1＜t＜t2時(shí)，模型中并聯(lián)RL電路產(chǎn)生一以指數(shù)衰減的電流，時(shí)間常數(shù)τre=L/R，反向電流從峰值Irm開始下降，空間電荷區(qū)開始迅速展寬，二極管開始重新恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。直至t2時(shí)刻電流近似降為0，反向恢復(fù)過程結(jié)束。

3　IGBT模塊開關(guān)過程分析

如圖3所示為二極管箝位的阻感性負(fù)載電路。這是IGBT最常見的應(yīng)用電路，也是常用于器件測試的通用測試電路。其中Ls為等效雜散電感，F(xiàn)WD 為IGBT模塊內(nèi)反并聯(lián)續(xù)流二極管，LL為感性負(fù)載，Ug為驅(qū)動(dòng)電壓源，RG為柵極外阻。本文將基于該電路對(duì)IGBT模塊進(jìn)行測試，并對(duì)其開通關(guān)斷過程分段詳細(xì)分析，開關(guān)波形如圖4所示。

初始時(shí)刻IGBT導(dǎo)通，電路處于穩(wěn)態(tài)。t0時(shí)刻?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電壓Ug輸出0 V，IGBT開始關(guān)斷，二極管續(xù)流，t6時(shí)刻Ug輸出+15 V驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通。

圖3　IGBT開關(guān)過程仿真電路Fig.3　IGBT switching process simulation circuit

圖4　IGBT開關(guān)波形Fig.4　IGBT switching waveforms schematic

（1）關(guān)斷過程

t0時(shí)刻，Ug輸出0 V，寄生電容Cge和Cgc開始放電，Vge按（RG+Rg）（Cge+Cgc）時(shí)間常數(shù)開始下降，這一過程為關(guān)斷延遲時(shí)間，電壓Vce及電流Ic不變；t1時(shí)刻，Vge剛能維持集電極正常工作電流水平，進(jìn)入米勒平臺(tái)，IGBT進(jìn)入放大區(qū)開始關(guān)斷。Vce開始上升，其速率由Vge/（Cgc（RG+Rg））決定；t2時(shí)刻，升至母線電壓Vcc，隨著IGBT關(guān)斷，電流Ic迅速下降，雜散電感Ls兩端感應(yīng)電壓，從而Vce出現(xiàn)關(guān)斷尖峰電壓；t3時(shí)刻，Vge降至門檻電壓VT，IGBT關(guān)斷，Ic開始拖尾衰減至0，Vce升至穩(wěn)態(tài)電壓，電流換路至續(xù)流二極管，關(guān)斷過程結(jié)束。

（2）開通過程

t4時(shí)刻，Ug升至+15 V，Cge和Cgc充電，Vge上升，這過程為開通延遲時(shí)間，Vce及Ic不變；t5時(shí)刻，Vge達(dá)到VT，IGBT開始導(dǎo)通，Ic隨著Vge增加而上升；t6時(shí)刻，Ic升至負(fù)載電流，二極管FWD開始反向恢復(fù)過程，Ic出現(xiàn)開通尖峰電流。由于續(xù)流二極管電壓箝位作用，Ice基本不變，只是受雜散電感影響，略有下降；t7時(shí)刻，F(xiàn)WD達(dá)到反向恢復(fù)峰值電流，開始近似指數(shù)衰減，其電壓迅速下降至截止電壓，箝位作用消失，Vce迅速下降，Cgc增大，出現(xiàn)米勒平臺(tái)；t8時(shí)刻，電壓電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，米勒平臺(tái)消失，電容Cge繼續(xù)充電，Vge繼續(xù)上升至15 V，開通過程結(jié)束。

4　模型參數(shù)提取及模型實(shí)現(xiàn)

由于IGBT模塊暫態(tài)模型參數(shù)直接測量比較復(fù)雜，通常使用外特性來對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行提取。本文模型參數(shù)將避開器件底層難獲取的參數(shù)以及求解復(fù)雜物理方程或復(fù)雜參數(shù)提取實(shí)驗(yàn)，主要通過理論推導(dǎo)、經(jīng)驗(yàn)公式、器件手冊和測量數(shù)據(jù)來提取。將以三菱公司生產(chǎn)的CM450DXL-34SA型1.7 kV/450 A-IGBT模塊為例，介紹模型關(guān)鍵參數(shù)的提取方法以及模型實(shí)現(xiàn)。

4.1IGBT暫態(tài)模型參數(shù)提取

（1）等效跨導(dǎo)K及門檻電壓VT參數(shù)

由式（4）知，當(dāng)IGBT處于放大區(qū)時(shí)，電流兩邊取根號(hào)，可得

根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊的輸出特性曲線Ic-Vce，在飽和區(qū)內(nèi)，在同一Vce下，讀取數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)曲線。根據(jù)曲線斜率和截距即可提取K和VT，如圖5所示。同理，當(dāng)IGBT處于飽和區(qū)時(shí)，得

根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊的輸出特性曲線，在線性區(qū)，在同一Vce下，讀取數(shù)據(jù)，繪制Ic/Vce與Vge曲線。根據(jù)曲線斜率和截距即可提取K和VT。

圖5　跨導(dǎo)及門檻電壓提取Fig.5　Extract of transconductance and threshold voltage

（2）寄生電容參數(shù)

寄生電容機(jī)理推導(dǎo)公式中包含柵-集極交疊面積、基區(qū)參雜濃度等復(fù)雜參數(shù)較難獲取。本文模型根據(jù)器件手冊上電容特性來提取寄生電容參數(shù)。在數(shù)據(jù)手冊中，輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres是應(yīng)用中常用的參數(shù)，其關(guān)系為

根據(jù)器件手冊上電容特性曲線，采用高階多項(xiàng)式及雙曲函數(shù)進(jìn)行分段擬合，獲取近似表達(dá)式，再根據(jù)式（10）提取寄生電容參數(shù)，如圖6所示。

圖6　IGBT寄生電容特性Fig.6　IGBT parasitic capacitance characteristic

（3）拖尾電流起始值Itail0及時(shí)間常數(shù)τ

由上文分析，當(dāng)Vge＜VT時(shí)器件關(guān)斷，將此時(shí)集電極電流作為拖尾起始電流Itail0。拖尾時(shí)間常數(shù)τ由穩(wěn)態(tài)特性和關(guān)斷過程中拖尾電流共同決定，本文通過SABER通用模型仿真或?qū)嶒?yàn)測得關(guān)斷過程拖尾時(shí)間Ttail，則τ近似取Ttail/4。

（4）柵極外阻參數(shù)

IGBT驅(qū)動(dòng)電路中，柵極外阻RG可以控制脈沖上升沿和下降沿的斜率。如果阻值小，則充放電較快，能減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗，避免誤導(dǎo)通；阻值大，則充放電較慢，開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗增大。通常RG參數(shù)的選取根據(jù)實(shí)際要求在器件數(shù)據(jù)手冊給定的范圍內(nèi)，選擇合適值，本模型選擇為6 Ω。

4.2二極管暫態(tài)模型參數(shù)提取

二極管暫態(tài)模型的基本參數(shù)可由相應(yīng)器件數(shù)據(jù)手冊提取。本文主要分析模型的反向恢復(fù)特性參數(shù)提取。根據(jù)機(jī)理推導(dǎo)［15］，可得

式中，τre為反向恢復(fù)衰減時(shí)間常數(shù)。R和L取值存在一個(gè)自由度，電感L可作為探針測量反向恢復(fù)受控電流源電流變化大小，通常取值較小以使電感電壓相比于二極管正向通態(tài)電壓可以忽略不計(jì)，減小影響。參考文獻(xiàn)［15］，可取L＝10 pH。R根據(jù)式（11）取相應(yīng)值即可。

通過Matlab中采用高階多項(xiàng)式擬合二極管VI曲線，可得本模型Rf取值為0.011 8 Ω。

根據(jù)器件手冊可得trr為300 ns，Qrr為17 μC可提取本文模型反向恢復(fù)參數(shù)Irm為0.113 kA，dif/ dt為756 000 kA/s，τre為0.065 μs。

4.3IGBT模塊暫態(tài)模型實(shí)現(xiàn)

采用上文所述的IGBT模塊暫態(tài)模型通用建模及參數(shù)提取方法，在PSCAD、SABER等仿真軟件中編寫程序代碼即可實(shí)現(xiàn)。

在PSCAD中分別搭建IGBT暫態(tài)模型與二極管暫態(tài)模型組成IGBT模塊暫態(tài)模型，如圖7所示。其中，Rs、Ls分別為IGBT內(nèi)部雜散電阻和電感，其值根據(jù)IGBT器件手冊可得。

封裝后的IGBT電路結(jié)構(gòu)模塊對(duì)外引出3個(gè)電極G、C、E與主電路連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內(nèi)阻、等效電流源和二極管反向恢復(fù)電路組成。用軟件模塊采集各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流值輸入給模型自定義參數(shù)模塊，包括寄生電容、MOSFET-BJT和二極管模塊，由柵極G引入驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT模塊工作狀態(tài)和各極電壓電流的控制。

圖7　IGBT模塊暫態(tài)模型Fig.7　IGBT module transient model

5　模型應(yīng)用及仿真驗(yàn)證

IGBT模塊暫態(tài)模型的仿真驗(yàn)證工作將首先驗(yàn)證IGBT和二極管暫態(tài)模型的正確性，然后再對(duì)模塊整體模型進(jìn)行仿真，并通過與SABER軟件內(nèi)通用模型庫仿真結(jié)果以及權(quán)威文獻(xiàn)實(shí)測波形相對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證模型可行性。

本文以三菱公司CM450DXL-34SA 1.7kV/450 A IGBT模塊為例，采用上述模型參數(shù)提取方法，仿真步長取5 ns，模型關(guān)鍵參數(shù)如表2所示，其中仿真工況與器件手冊數(shù)據(jù)測試工況相同。

表2　IGBT模塊暫態(tài)模型參數(shù)Tab.2　Parameters of IGBT module transient model

5.1IGBT暫態(tài)模型仿真

采用表2模型參數(shù)，在PSCAD中，將IGBT暫態(tài)模型與負(fù)載及電源串聯(lián)，通過柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制IGBT通斷，獲得IGBT開通關(guān)斷相應(yīng)暫態(tài)波形。

模型仿真結(jié)果如圖8所示。在納秒級(jí)仿真步長下，可看到明顯米勒平臺(tái)和拖尾電流，由于未加入雜散電感、續(xù)流二極管等，故沒有尖峰電壓電流暫態(tài)現(xiàn)象。IGBT暫態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果如表3所示，其數(shù)值與器件手冊的理論分析結(jié)果基本相符，誤差在可接受的范圍內(nèi)，基本驗(yàn)證了暫態(tài)模型的有效性。

表3　IGBT暫態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)仿真結(jié)果Tab.3　Key parameters simulation results of IGBT transient model

圖8　IGBT暫態(tài)模型測試波形Fig.8　Test waveforms of IGBT transient model

5.2二極管暫態(tài)模型仿真

采用表2模型參數(shù)以及器件手冊中相應(yīng)數(shù)據(jù)測試工況（1 000 V電壓源，450 A通態(tài)電流，阻感性負(fù)載等），在PSCAD中，將二極管暫態(tài)模型與負(fù)載及受控電壓源串聯(lián)，改變電壓源輸出電壓，控制二極管關(guān)斷，獲得反向恢復(fù)電流波形。

模型仿真波形如圖9所示。當(dāng)二極管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，電流下降到0后，開始反向恢復(fù)過程，與理論分析過程相符。二極管暫態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果如表4所示，其中電流下降速率、反向恢復(fù)峰值電流、時(shí)間等參數(shù)與器件手冊的理論值基本相符，誤差在可接受范圍內(nèi)，基本驗(yàn)證了二極管暫態(tài)模型的有效性。

表4　二極管暫態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果Tab.4　Key parameters simulation results of diode transient model

圖9　二極管暫態(tài)模型測試波形Fig.9　Test waveforms of diode transient model

5.3IGBT模塊暫態(tài)模型仿真

（1）與SABER通用模型仿真對(duì)比

SABER仿真軟件是當(dāng)今世界上功能強(qiáng)大的電力電子仿真軟件之一。它有豐富的通用模型庫，模型多基于機(jī)理模型理論，選擇IGBT1通用模型和帶反向恢復(fù)二極管模型，根據(jù)相應(yīng)器件手冊輸入相應(yīng)參數(shù)，即可較準(zhǔn)確的模擬IGBT及二極管的特性，與器件實(shí)際特性相比，其精度及模型有效性較好，可作為參照驗(yàn)證本文模型有效性。

IGBT模塊暫態(tài)模型仿真電路采用二極管箝位的阻感性負(fù)載電路，續(xù)流二極管用IGBT模塊代替，仿真波形如圖10所示。其中RG為柵極外部電阻取6 Ω，LL為感性負(fù)載取50 μH，RL為負(fù)載電阻取2.2 Ω，外部電壓Vcc為1 kV，IGBT模塊內(nèi)部參數(shù)如第5.1節(jié)所述。

圖10　IGBT模塊暫態(tài)模型仿真電路Fig.10　IGBT module transient model test circuit

兩路柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1和Ug2通過輸出+15 V 與0 V來分別控制IGBT1模塊和IGBT2模塊的工作狀態(tài)。仿真電路中，Ug1恒定為0 V，即IGBT1保持關(guān)斷，只起續(xù)流二極管作用。控制Ug2輸出電壓，+15 V或0 V先導(dǎo)通IGBT2模塊，對(duì)負(fù)載電感LL充電，將電路電流升至450 A，再關(guān)斷IGBT2模塊得到其關(guān)斷電流和電壓暫態(tài)波形，負(fù)載電感通過IGBT1模塊中二極管續(xù)流，再開通IGBT2模塊得到相應(yīng)的開通電壓電流暫態(tài)波形來測試模型穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，仿真結(jié)果如圖11和表5所示。

圖11　IGBT模塊暫態(tài)模型與SABER仿真波形Fig.11　Simulation waveforms comparing with IGBT module transient model and SABER

表5　IGBT模塊暫態(tài)模型關(guān)鍵參數(shù)仿真結(jié)果Tab.5　Key parameters simulation results of IGBT module transient model

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本模型能較好地反映尖峰電壓電流、米勒平臺(tái)、拖尾電流、二極管反向恢復(fù)等暫態(tài)特性，且與SABER通用模型仿真結(jié)果、器件手冊數(shù)據(jù)及理論分析結(jié)果基本相符，由此驗(yàn)證了IGBT模塊暫態(tài)模型的有效性。由圖11（d）誤差曲線可見，本模型與SABER中詳細(xì)模型的仿真誤差在開關(guān)暫態(tài)時(shí)較大，仍小于5%，符合要求。

（2）與實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文模型建模方法的通用性，因器件實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)尚未搭建完成，本文以文獻(xiàn)［12］中600 V～6.5 kV電壓等級(jí)的IGBT實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果作對(duì)比，仿真驗(yàn)證模型有效性。實(shí)驗(yàn)采用IGBT型號(hào)為SGH40N60，續(xù)流二極管的型號(hào)為HFA25 TB60，Vcc=100 V，開關(guān)頻率為10 kHz，占空比為0.5，濾波電感為4 mH，可調(diào)電阻的調(diào)節(jié)范圍為0～15 Ω。根據(jù)相應(yīng)型號(hào)器件手冊，提取并修改相關(guān)模型參數(shù)，采用文獻(xiàn)［12］測試電路及方案，基于通用建模算法，在PSCAD中搭建IGBT模塊暫態(tài)模型對(duì)比仿真電路，獲取暫態(tài)波形進(jìn)行分析。

仿真結(jié)果如圖12所示。實(shí)測波形基于機(jī)理且有實(shí)際裝置信號(hào)干擾毛刺，而本模型基于半機(jī)理半行為模型，較為理想，有一定誤差，尖峰及拖尾電流波形基本與實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果吻合。

圖12　IGBT模型與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形對(duì)比Fig.12　IGBT model waveforms comparing with document experiment measured

6　結(jié)論

（1）本文針對(duì)IGBT模塊應(yīng)用場合，基于現(xiàn)有模型研究，詳細(xì)分析了IGBT和二極管的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性，采用機(jī)理推導(dǎo)、電氣等效、曲線擬合等方法，綜合考慮模型準(zhǔn)確度和仿真速度，提出了一種適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型。

（2）與現(xiàn)有模型相比，本文模型由機(jī)理推導(dǎo)，物理概念清晰，將IGBT的暫態(tài)特性與二極管的反向恢復(fù)特性相互影響綜合考慮，結(jié)果真實(shí)可靠；避免了復(fù)雜的物理方程，參數(shù)顯著減少且容易提取，根據(jù)器件手冊即可確定；模型參數(shù)易調(diào)整，適用于不同IGBT型號(hào)及高壓應(yīng)用場合。

（3）以具體型號(hào)的IGBT模塊為例，提出了模型的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)提取方法，并在PSCAD上搭建模型仿真實(shí)現(xiàn)，與SABER通用模型仿真結(jié)果及文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)測波形對(duì)比，結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了模型有效性。模型可以滿足電力系統(tǒng)仿真需求，較為準(zhǔn)確的反應(yīng)相關(guān)暫態(tài)特性，可作為器件選型設(shè)計(jì)、損耗分析、控制保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)的依據(jù)。

［1］肖雅偉，唐云宇，劉秦維，等.并聯(lián)IGBT模塊靜動(dòng)態(tài)均流方法研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2015，13（2）∶64-70，76.Xiao Yawei，Tang Yunyu，Liu Qinwei，et al.Research on method of balancing static and dynamic current for paralleled IGBT modules［J］.Journal of Power Supply，2015，13 （2）∶64-70，76（in Chinese）.

［2］鄧夷，趙爭鳴，袁立強(qiáng)，等.適用于復(fù)雜電路分析的IGBT模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（9）∶1-7.Deng Yi，Zhao Zhengming，Yuan Liqiang，et al.IGBT model for analysis of complicated circuits［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（9）∶1-7（in Chinese）.

［3］康勁松，宋隆俊.IGBT驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路的研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2014，12（4）∶52-56，61.Kang Jinsong，Song Longjun.Research on active clamping circuit of IGBT driver［J］.Journal of Power Supply，2014，12（4）∶52-56，61（in Chinese）.

［4］唐勇，汪波，陳明，等.高溫下的IGBT可靠性與在線評(píng)估［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（6）∶17-23.Tang Yong，Wang Bo，Chen Ming，et al.Reliability and online evaluation of IGBT modules［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（6）∶17-23（in Chinese）.

［5］方鑫，周雒維，姚丹，等.IGBT模塊壽命預(yù)測模型綜述［J］.電源學(xué)報(bào)，2014，12（3）∶14-21.Fang Xin，Zhou Luowei，Yao Dan，et al.An overview of IGBT life prediction models［J］.Journal of Power Supply，2014，12 （3）∶14-21（in Chinese）.

［6］唐勇，胡安，陳明.IGBT柵極特性與參數(shù)提取［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（7）∶76-80.Tang Yong，Hu An，Chen Ming.IGBT gate characteristics and parameter extraction methods［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（7）∶76-80（in Chinese）.

［7］湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)［M］.北京∶中國電力出版社，2010∶1-13.

［8］Hefner A R，Blackburn D L.An analytical model for the steady-state and transient characteristics of the power insulate gate bipolar transistor［J］.Solid-State Electronics，1988，31（10）∶1513-1532.

［9］Kuang Sheng，Williams B W，F(xiàn)inney S J.A review of IGBT models［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2000，15（6）∶1250-1266.

［10］Kraus R，Mattausch H J.Status and trends of power semiconductordevicemodelsforcircuitsimulation［J］.IEEETranson PowerElectronics，1998，13（3）∶452-465.

［11］Hsu J T，Ngo K D T.Behavioral modeling of the IGBT using the hammerstein configuration［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1996，11（6）∶746-754.

［12］毛鵬，謝少軍，許澤剛.IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（15）∶40-47. Mao Peng，Xie Shaojun，Xu Zegang.Switching Transients model and loss analysis of IGBT module［J］.Chinese CSEE，2010，30（15）∶40-47（in Chinese）.

［13］陳娜，何湘寧，鄧焰，等.IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（12）∶50-55.Chen Na，He Xiangning，Deng Yan，et al.An off-line IGBT switching characteristics measurement system［J］.Chinese CSEE，2010，30（12）∶50-55（in Chinese）.

［14］姬世奇，趙爭鳴，袁立強(qiáng)，等.高壓IGBT暫態(tài)機(jī)理模型分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，52（11）∶1578-1583.Ji Shiqi，Zhao Zhengming，Yuan Liqiang，et al.Transient high voltage IGBT physical model［J］.Journal of Tsinghua University（Sci&Tech），2012，52（11）∶1578-1583（in Chinese）.

［15］Dastfan A.A new macro-model for power diodes reverse recovery［C］.Proc.7th WSEAS Int.Conf.Power Systems.2007∶48-52.

Research on IGBT Module Transient Model for Circuit Simulation

XU Yanming1，ZHAO Chengyong1，ZHOU Fei2，XU Ying1，LIU Qijian1
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102200，China）

The IGBT module which is composed of an insulated gate bipolar transistor（IGBT）and anti-parallel diode has been widely applied to the technical field of flexible HVDC.The existing IGBT models from literatures are rather difficult to simulate the switching transient and mutual influence of IGBT and diode.To solve this problem，an IGBT module transient model for circuit simulation is proposed and the general extraction methods of the key parameters are provided as well.The proposed model is respectively implemented on platforms including PSCAD/EMTDC，SABER，etc，using the theoretical analysis，electric equivalence，curve fitting and other means.The proposed model does not need to obtain underlying device parameters and solve the complex physical equations.It can achieve different states of IGBT module in circuit simulation and simulate the voltage and current spikes，tail current，miller platform and other characteristics.The accuracy and versatility of the IGBT module switching transient model are verified by comparing the simulation results from PSCAD with that from SABER and experimental results successively.The proposed model makes a foundation for further application research on flexible HVDC system simulation，loss analysis and control strategy optimization.

insulated gate bipolar transistor（IGBT）；diode；parameter extraction；transient model

徐延明

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.28

TN335

A

徐延明（1990-），男，通信作者，碩士，研究方向：直流輸電，E-mail：xu_yanming @outlook.com。

趙成勇（1964-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：高壓直流輸電，E-mail：chengyongzhao@ncepu.edu.cn。

周飛（1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：柔性直流輸電，E-mail：zhoufei @geiri.sgcc.com.cn。

徐瑩（1991-），女，碩士，研究方向：柔性直流輸電，E-mail：1558849680@qq.com。

劉啟建（1990-），男，碩士，研究方向：柔性直流輸電，E-mail：lqjsum@foxmail.com。

2015-10-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177042）；國家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目（SGRI-DL-71-13-001）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51177042）；State Grid Corporation of Science and Technology Project（SGRI-DL-71-13-001）