高 強(qiáng)，黃允燦

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可嵌入式晶閘管暫態(tài)建模研究

高 強(qiáng)，黃允燦

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室， 武漢 430064）

基于文獻(xiàn)研究明確了影響晶閘管反向恢復(fù)特性的參數(shù)因素和作用機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)工程簡(jiǎn)化，推導(dǎo)了適于建模使用的晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型；基于所得數(shù)學(xué)模型和對(duì)通用晶閘管模型的二次開(kāi)發(fā)，建立了一種既能夠準(zhǔn)確的定型反映晶閘管反向恢復(fù)暫態(tài)特性，又便于嵌入整流橋模型仿真使用的晶閘管仿真模型。

功率晶閘管 反向恢復(fù)過(guò)程 可嵌入式建模

0 引言

晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)特性與回路電感一起會(huì)帶來(lái)關(guān)斷過(guò)電壓，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹁чl管過(guò)壓擊穿，在工程設(shè)計(jì)中必須給予充分的考慮。

由于晶閘管反向恢復(fù)的強(qiáng)非線(xiàn)性，解析分析十分困難，構(gòu)建準(zhǔn)確的晶閘管暫態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真是主要的研究手段[1]。目前雖然對(duì)晶閘管關(guān)斷暫態(tài)建模的研究較多，但是能夠形成便于嵌入到整流橋模型中仿真使用的器件模型的研究卻很少。

本文在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，明確了影響晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的參數(shù)因素和作用機(jī)理，結(jié)合工程實(shí)際，推導(dǎo)了適于工程建模的反向恢復(fù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型；基于Matlab軟件平臺(tái)，使用所推導(dǎo)的反向恢復(fù)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)通用的晶閘管模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了一種既能夠反映晶閘管反向恢復(fù)暫態(tài)特性，又便于嵌入整流電路仿真使用的晶閘管仿真模型。實(shí)驗(yàn)對(duì)比顯示，所建立的晶閘管仿真模型可以真實(shí)、準(zhǔn)確的反映晶閘管的暫態(tài)恢復(fù)特性，為裝置級(jí)暫態(tài)仿真研究提供了有效的研究手段。

1 晶閘管管段暫態(tài)分析

晶閘管具有低摻雜、大注入的基區(qū)[2-4]。導(dǎo)通時(shí)，晶閘管基區(qū)注入大量載流子，關(guān)斷時(shí)，需要通過(guò)遷移、擴(kuò)散、復(fù)合等方式使載流子濃度降低，在pn節(jié)上重新建立耗盡層，才能恢復(fù)阻斷能力，進(jìn)入關(guān)斷態(tài)。關(guān)斷時(shí)，這種需要逐漸降低載流子濃度以恢復(fù)阻斷能力的特性被稱(chēng)為晶閘管的反向恢復(fù)特性。

由于反向恢復(fù)特性的存在，晶閘管在關(guān)斷時(shí)遠(yuǎn)非理想開(kāi)關(guān)。下面將對(duì)晶閘管的關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析。

使用圖1所示的電路來(lái)考察晶閘管關(guān)斷過(guò)程。在=0-時(shí)刻，即關(guān)斷開(kāi)始前一瞬間，假設(shè)開(kāi)關(guān)S位于位置“1”，晶閘管電流為I。在=0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S打向位置“2”，將反向電壓施加到晶閘管兩端。圖2.a給出了之后晶閘管的電壓電流波形，圖2.b描述了晶閘管內(nèi)部載流子移除的過(guò)程。

圖1 反壓關(guān)斷分析電路

（a）

（b）

圖2 晶閘管關(guān)斷過(guò)程示意：（a）關(guān)斷過(guò)程晶閘管端電壓、端電流變化曲線(xiàn)；（b）關(guān)斷過(guò)程晶閘管內(nèi)部載流子移除過(guò)程

2）階段2（=1~2）：基區(qū)過(guò)量的載流子使晶閘管在電流過(guò)零后仍保持導(dǎo)通，此時(shí)，在反壓V的作用下，晶閘管電流繼續(xù)以V/的斜率開(kāi)始負(fù)相增大，直至2時(shí)刻，J3結(jié)過(guò)量載流子濃度降至0，J3結(jié)開(kāi)始恢復(fù)電壓阻斷能力，晶閘管將開(kāi)始承受反壓[4-5]。

3）階段3（=2~3）：在t2時(shí)刻，J3結(jié)開(kāi)始恢復(fù)電壓阻斷能力，晶閘管開(kāi)始承受反壓。電流下降率減小為(V-V)/。其中，V為晶閘管管壓降，此階段V近似等于J3結(jié)的壓降。

5）階段5（=4~5）：在t4時(shí)刻，pn節(jié)J1結(jié)的過(guò)量載流子濃度降至0， J1結(jié)開(kāi)始恢復(fù)電壓阻斷能力，晶閘管管壓降V迅速增大到V。當(dāng)V上升到電源電壓V時(shí)（5時(shí)刻），電流變化率降到0，反向恢復(fù)電流達(dá)到最大值I。

6）階段6（=5~6）：反向恢復(fù)電流開(kāi)始迅速衰減，直至晶閘管完全關(guān)斷。此階段，反向恢復(fù)電流減小時(shí)正向的d/d會(huì)在電感上感應(yīng)出一個(gè)正向的瞬態(tài)電壓Δ，這個(gè)電壓與電源反壓V一起施加在晶閘管兩端，將導(dǎo)致晶閘管出現(xiàn)關(guān)斷過(guò)電壓。

以上便是晶閘管關(guān)斷以及產(chǎn)生關(guān)斷過(guò)電壓的詳細(xì)的物理過(guò)程。

2 晶閘管反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型

由上分析可知，晶閘管關(guān)斷時(shí)承受的反壓有兩部分組成：一部分是電路固有加載的反向電壓V，一部分是反向恢復(fù)電流正向衰減時(shí)在電路電感上感應(yīng)出的電壓Δ。在工作電路確定的情況下，V和回路電感是確定的，晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓的大小實(shí)際將由反向恢復(fù)電流的變化決定，因此，建模的核心在于對(duì)反向恢復(fù)電流的變化進(jìn)行準(zhǔn)確的建模描述。

文獻(xiàn)[5-8]研究指出，在J1結(jié)、J3結(jié)恢復(fù)阻斷能力，承壓進(jìn)入反置狀態(tài)后，晶閘管等效為一個(gè)基極懸浮的pnp晶體管，此后晶閘管晶閘管電流的衰減將主要受晶閘管本身基極復(fù)合過(guò)程的控制，外電路對(duì)其影響很小。晶閘管物理模型的研究證明，在反向恢復(fù)電流達(dá)到峰值后，晶閘管電流將按照指數(shù)模型衰減[4-6]，也即，設(shè)在t時(shí)刻反向恢復(fù)電流達(dá)到峰值-，則此后晶閘管反向恢復(fù)電流的正向衰減過(guò)程可表示為：

推導(dǎo)過(guò)程中使用了兩個(gè)假設(shè)：

1）忽略J3結(jié)的存在（一般功率晶閘管J3結(jié)的雪崩擊穿電壓在20 V的水平，反壓實(shí)際上都是由低摻雜的J1結(jié)承擔(dān)，因此忽略J3結(jié)是不失準(zhǔn)確的）；

2）假設(shè)在晶閘管電流從零下降到反向峰值-的時(shí)間內(nèi)，電源電壓保持恒定，電流是以近似恒定的d/d下降，這個(gè)假設(shè)在整流器重載運(yùn)行，換相重疊角較大時(shí)是非常適用的。

圖3 衰減時(shí)間常數(shù)τ的求取

在如上假設(shè)下，反向恢復(fù)電流的波形可以簡(jiǎn)化為圖3所示。首先按照固定的d/d線(xiàn)性下降至反向峰值-，之后開(kāi)始指數(shù)衰減。

轉(zhuǎn)折時(shí)間t和反向峰值-之間的關(guān)系為：

假定電流的反向恢復(fù)時(shí)間為t（器件生產(chǎn)商一般都將t定義為連接反向恢復(fù)電流峰值點(diǎn)和-0.25點(diǎn)的直線(xiàn)與時(shí)間軸的交點(diǎn)，即圖3中所示的B點(diǎn)），則反向恢復(fù)電荷Q等于：

設(shè)反向恢復(fù)電流按指數(shù)函數(shù)衰減到-0.25時(shí)的時(shí)間為1（如圖3所示），則可得下列關(guān)系式：

將式（3）、（4）兩邊進(jìn)行取對(duì)數(shù)得：

將式（3）代入式（5）得：

將式（1）、（2）代入式（6）得到：

3 基于Matlab平臺(tái)的建模實(shí)現(xiàn)

Matlab軟件自帶的電力系統(tǒng)工具箱內(nèi)已經(jīng)內(nèi)置了晶閘管模塊，但該模塊對(duì)關(guān)斷做了理想假設(shè)，電流只是衰減到零，不包括反向恢復(fù)過(guò)程。為了保證工程實(shí)用，所建的仿真模型可以與軟件本身良好的兼容，本文在Matlab內(nèi)置晶閘管模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，使用第二節(jié)所示的反向恢復(fù)電流數(shù)學(xué)模型搭建反向恢復(fù)控制模塊來(lái)增加對(duì)反向恢復(fù)特性的描述，反向控制模塊和軟件自帶模塊一并封裝后即得到具有良好可嵌入性的帶反向恢復(fù)特性的晶閘管仿真模型。

3.1 模型參數(shù)提取

以ABB公司生產(chǎn)的5STP06D2800晶閘管為例建模，器件手冊(cè)提供了晶閘管反向恢復(fù)電流峰值I和反向恢復(fù)存儲(chǔ)電荷Q的實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線(xiàn)。此處，僅選擇在最?lèi)毫拥那闆r，節(jié)溫110℃的情況下提取數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

使用四次多項(xiàng)式擬合實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，得到產(chǎn)品手冊(cè)所給出的I和Q的上限和下限的表達(dá)式為：

使用上可以計(jì)算出在任意d/d下與器件本身物理特性相符的I和Q的值，因而，在電路電壓、電感改變，關(guān)斷d/d變化時(shí)也可以對(duì)晶閘管的反向恢復(fù)特性進(jìn)行刻畫(huà)，這樣既定型的反映了器件的半導(dǎo)體特性，又可以動(dòng)態(tài)的反映器件工作回路參數(shù)的變化，滿(mǎn)足嵌入電路仿真的要求。

3.2 封裝建模

對(duì)軟件自帶晶閘管模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使用電流源產(chǎn)生反向恢復(fù)電流注入軟件自帶的晶閘管模塊，使其具有反向恢復(fù)特性。模型封裝如圖4所示，主要由軟件自帶的晶閘管模塊（在此模塊中可設(shè)置通態(tài)壓降，導(dǎo)通門(mén)檻電壓，通態(tài)電阻等穩(wěn)態(tài)和基本開(kāi)通特性參數(shù)），反向恢復(fù)參數(shù)計(jì)算模塊（Subsystem1），參數(shù)鎖存模塊（Subsystem2）和反向恢復(fù)電流模型模塊（Subsystem3）組成。

圖4 帶反向恢復(fù)過(guò)程的晶閘管模型封裝

圖5 Subsystem1模塊內(nèi)部組成

圖6 Subsystem3模塊內(nèi)部組成

將如上功能模塊與軟件自帶晶閘管模塊一并封裝，即得到可定型反映晶閘管反向恢復(fù)特性，同時(shí)又可嵌入整流電路仿真使用的晶閘管模型。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 仿真電路

圖8(a)、8(b)分別為I和Q使用了器件手冊(cè)最小值擬合曲線(xiàn)和最大值擬合曲線(xiàn)時(shí)的仿真波形，圖8.c為相應(yīng)工況下的實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)波形。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，反向恢復(fù)階段，仿真波形和實(shí)測(cè)波形所反映的電壓電流變化趨勢(shì)是完全一致的，這說(shuō)明本章所建模型正確了反映了晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)過(guò)程。同時(shí)，使用最大值曲線(xiàn)時(shí)仿真過(guò)電壓將比最小值曲線(xiàn)時(shí)更大，使用更大的I和Q進(jìn)行仿真時(shí)，所得關(guān)斷過(guò)電壓有增大的趨勢(shì)。

（a）

（b）

（c）

圖8 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比（AC980 V，DC950 V，工作電流3000 A）：（a）最小值曲線(xiàn)仿真，（b）最大值曲線(xiàn)仿真，（c）實(shí)驗(yàn)測(cè)試

從數(shù)據(jù)上來(lái)說(shuō)：圖8a、b、c，反向恢復(fù)電流峰值分別為196 A、261 A、225 A，過(guò)電壓峰值分別為1050 V、1152 V、1107 V，仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間基本吻合，這說(shuō)明本文所作出的簡(jiǎn)化假設(shè)和所推導(dǎo)的簡(jiǎn)化模型對(duì)器件暫態(tài)的刻畫(huà)是足夠準(zhǔn)確的。

5 總結(jié)

晶閘管并不是理想開(kāi)關(guān)，關(guān)斷時(shí)其固有的反向恢復(fù)特性會(huì)在回路電感感生暫態(tài)電壓疊加在晶閘管兩端，降低晶閘管電壓安全裕量，在工程設(shè)計(jì)中必須給予充分考慮。基于此，詳細(xì)地分析了影響晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的參數(shù)因素和作用機(jī)理，從工程實(shí)用角度，推導(dǎo)了適于建模的反向恢復(fù)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了建模實(shí)現(xiàn)。模型參數(shù)均可以方便的從器件廠家提供的器件手冊(cè)中得到，在保證定型刻畫(huà)晶閘管反向恢復(fù)特性的基礎(chǔ)上，也保證了模型的可實(shí)現(xiàn)性，可以直接嵌入到整流電路中進(jìn)行裝置級(jí)暫態(tài)仿真，為裝置級(jí)暫態(tài)仿真研究提供了有效的研究手段。

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Study on Embeddable Simulation Modeling of Power Thyristor

GAOQiang，HUANGYuncan

(Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China)

TN34

A

1003-4862（2017）12-0056-05

2017-09-15

高強(qiáng)（1985-），男，博士研究生。研究方向：電力電子及電氣傳動(dòng)。E-mail: gq04@163.com