IGCT電學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

宋陽(yáng) 王興祿

關(guān)鍵詞： IGCT; 電力電子器件; 電學(xué)模型; 動(dòng)態(tài)特性; 硬驅(qū)動(dòng); 門(mén)極換流

中圖分類號(hào)： TN103?34; TP335 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）03?0163?05

Abstract： The electrical model of integrated gate commutated thyristor （IGCT） isn′t considered in power electronic circuit design， which makes its application limited. The gate cathode of IGCT is replaced by diode in circuit simulation， which can′t describe the device characteristics of IGCT accurately. According to the structural features and working principle of IGCT， an IGCT equivalent electrical model suitable for circuit simulation is established. The PSPICE software is used to analyze the switching characteristics of IGCT. The simulation waveform is compared with the measured waveform and device simulation waveform， and the main characteristic parameters are compared with the data in the IGCT manual. This model is applicable to the design of IGCT drive circuit and simulation study of simple system.

Keywords： IGCT; power electronic device; electrical model; dynamic characteristic; hard drive; gate current conversion

0 ?引 ?言

集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）是在門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)印刷電路板將GCT芯片與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路連接在一起，使門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路電感限制在納亨（nH）水平，實(shí)現(xiàn)門(mén)極換流和硬驅(qū)動(dòng)。隨著IGCT研究的進(jìn)一步發(fā)展及其可靠性的提高，其市場(chǎng)前景將會(huì)更加廣闊[1?4]。在IGCT的仿真和實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)用二極管來(lái)替代IGCT器件的門(mén)陰極，這給IGCT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和基于IGCT的各種應(yīng)用電路的研究造成了很大困難和偏差，目前國(guó)內(nèi)外各類仿真軟件都沒(méi)有IGCT的仿真模型，因此需要建立一種適用于電路仿真的IGCT模型。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)IGCT建模進(jìn)行了相關(guān)的研究，已建立了IGCT的物理學(xué)模型和IGCT綜合型電荷控制模型，這兩種模型都屬于物理模型[5?6]，不適合于實(shí)際電路中的器件特性仿真。在用PSIM軟件進(jìn)行電力電子電路仿真時(shí)采用IGCT的功能型模型[2，7]，PSIM軟件電學(xué)模型[8?9]只是針對(duì)PSIM仿真軟件，僅可以模擬GCT開(kāi)通，無(wú)法表征GCT在硬驅(qū)動(dòng)條件下的關(guān)斷特性和換流過(guò)程[2]。為了描述IGCT的門(mén)極換流效果，本文基于非對(duì)稱型IGCT結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，采用PSPICE軟件仿真IGCT的開(kāi)關(guān)特性，并通過(guò)與實(shí)測(cè)波形、器件仿真波形進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該電學(xué)模型的準(zhǔn)確性和通用性。

1 ?GCT結(jié)構(gòu)、原理與開(kāi)關(guān)特性

1.1 ?GCT的基本結(jié)構(gòu)與等效電路

GCT是在GTO的基礎(chǔ)上，采用透明陽(yáng)極、場(chǎng)阻止層等技術(shù)，構(gòu)成了一個(gè)p+nn-pn+五層晶閘管結(jié)構(gòu)，如圖1所示?？梢钥醋饔蒔1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管Q1，Q2組成，得到GCT雙晶體管等效模型，如圖2所示。

1.2 ?GCT的開(kāi)關(guān)原理

當(dāng)在GCT的陽(yáng)?陰極間加上適當(dāng)?shù)恼螂妷海╗VAK>]0），門(mén)陰極間加上電流幅值[IGM]和上升率[diGdt]很高的正脈沖電流時(shí)，GCT會(huì)由正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)，可以看成兩個(gè)正反饋的晶體管（PNP和NPN），如圖3a）所示。門(mén)極正脈沖電流使NPN晶體管的J3結(jié)瞬間全部導(dǎo)通，均勻地向p基區(qū)注入電子，進(jìn)入p基區(qū)的電子擴(kuò)散到J2結(jié)附近，被反偏的J2結(jié)掃入[n-]基區(qū)，導(dǎo)致[n-]基區(qū)的電位下降，從而引起透明陽(yáng)極均勻地向[n-]基區(qū)注入空穴。由此導(dǎo)致陽(yáng)極PNP晶體管和陰極NPN晶體管之間互相驅(qū)動(dòng)，形成正反饋。當(dāng)陽(yáng)極PNP晶體管電流放大系數(shù)[α1]和陰極NPN晶體管的電流放大系數(shù)[α2]之和大于1，即[α1+α2≥1]時(shí)，GCT大面積均勻?qū)?。開(kāi)通過(guò)程中陽(yáng)極電壓[VAK]下降，[VAK]從0.9 [VDC]下降至0.1 [VDC]為開(kāi)通下降時(shí)間[t]，指標(biāo)參數(shù)[tf]≤1 ?s，陽(yáng)極電流[iA]上升。

如圖3b）所示，當(dāng)GCT采用強(qiáng)的負(fù)脈沖（[iG?]0）進(jìn)行關(guān)斷，即在門(mén)陰極間加上電流幅值[-iGQ]和上升率[-diGdt]都很高的負(fù)脈沖電流，使負(fù)門(mén)極電流在1 ms以內(nèi)上升到陽(yáng)極電流的幅值。[p]基區(qū)的空穴從門(mén)極被快速抽取，使得門(mén)陰極結(jié)（J3結(jié)）迅速截止，其NPN晶體管隨即關(guān)斷，幾乎所有的陽(yáng)極電流都從門(mén)極流出，于是GCT相當(dāng)于一個(gè)基極開(kāi)路的PNP晶體管進(jìn)而被關(guān)斷。陽(yáng)極電流下降[0.4ITGQM]所用時(shí)間為關(guān)斷延遲時(shí)間[tdoff]， 指標(biāo)參數(shù)[tdoff≤]7 ?s，最終陽(yáng)極電流[iA]下降為0，GCT關(guān)斷結(jié)束。

1.3 ?IGCT的關(guān)斷波形

圖4給出了IGCT模型關(guān)斷時(shí)陽(yáng)極電流[iA]、陰極電流[iK]及門(mén)極電流[iG]波形圖。在[t=0]時(shí)，關(guān)斷管快速閉合給門(mén)極加上高[didt]的負(fù)脈沖電流[iG]，[iA=iL]，[iK]會(huì)隨著[iG]迅速下降。到[t1]時(shí)刻，[iK]下降為0，J3結(jié)開(kāi)始反向恢復(fù)，到[t2]時(shí)刻[iK]的反向電流達(dá)到峰值，在[t3]時(shí)刻[iG=-iL]，J3的反向恢復(fù)結(jié)束。門(mén)陰極間的換流過(guò)程結(jié)束，陽(yáng)極電流全部換流到門(mén)極。在[t4]時(shí)陽(yáng)?陰極電壓[VAK]開(kāi)始上升。[t2]和[t4]之差用來(lái)判斷器件是否運(yùn)行在GCT模式，通常把這作為硬驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，即時(shí)間差[Δt=t4-t2>0]。[t5]時(shí)刻[VAK]達(dá)到線電壓[VDC]，[iA]很快下降。[t6]時(shí)刻[iA]，[iG]均變?yōu)?，GCT完成整個(gè)關(guān)斷過(guò)程。

2 ?IGCT電路仿真模型的建立

2.1 ?電學(xué)模型的建立

本文所建立的IGCT電學(xué)模型如圖5所示，該模型由兩個(gè)GCT單元和GCT結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)電路構(gòu)成，每個(gè)GCT單元采用一個(gè)2T?3R模型，包括一對(duì)PNP，NPN晶體管和3個(gè)表征靜態(tài)特性的電阻。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，當(dāng)并聯(lián)的2T?3R模型單元數(shù)>2時(shí)，仿真精度并沒(méi)有明顯的改善。圖中Q1和Q2，Q3和Q4各為1對(duì)晶體管，[R1，R4]表示門(mén)極區(qū)等效電阻，主要反映GCT的門(mén)極觸發(fā)特性。在GCT門(mén)極加上觸發(fā)信號(hào)后，導(dǎo)通前門(mén)極的電壓和電流主要由[R1，R4]承擔(dān)，導(dǎo)通后門(mén)極電流通過(guò)Q2的發(fā)射極;[R2，R5]是陽(yáng)極等效電阻，主要影響GCT的維持電流;[R3，R6]為斷態(tài)電阻，根據(jù)GCT的工作原理分析，正向阻斷時(shí)，描述關(guān)斷過(guò)程中空間電荷區(qū)在高阻的[n]基區(qū)擴(kuò)展時(shí)中性區(qū)的電阻，主要反映GCT正向阻斷恢復(fù)時(shí)的特性;[C1，C2]表示J2結(jié)勢(shì)壘電容，主要影響GCT的關(guān)斷特性[10]。用[RD，CD]構(gòu)成的RC延時(shí)電路描述各層之間觸發(fā)信號(hào)的傳輸延時(shí)，用互感[M]描述兩個(gè)單元間的相互作用，用門(mén)極接觸電阻[RGC]描述不同陰極條與門(mén)極間的連接關(guān)系，用陰極電阻[RKC]表示陰極電流在不同單元間的分配關(guān)系。

2.2 ?模型參數(shù)的提取

2.2.1 ?雙晶體管電流放大系數(shù)的提取

在GCT模型中，[α1，α2]的取值應(yīng)滿足兩個(gè)條件： [α1+α2]的取值略大于1，使GCT導(dǎo)通時(shí)處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，從而為關(guān)斷創(chuàng)造條件;[α1，α2]的匹配應(yīng)使Q2先快速關(guān)斷，以快速完成電流從陰極換流到門(mén)極。[α2]過(guò)大易使Q2進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)，而[α2]過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致[α1]過(guò)大，這會(huì)讓Q1易進(jìn)入過(guò)飽和狀態(tài)，使GCT關(guān)斷時(shí)間增大。所以，選取[α1，α2]的值時(shí)應(yīng)折衷考慮。由于PSPICE軟件中晶體管參數(shù)采用基極發(fā)射極放大系數(shù)[β]描述，而[β=α（1-α）]，折衷考慮Q1，Q2的特性后，可取[β1=]1.81，[β2=]0.70（[α1=]0.64，[α2=]0.41）。最終確定出晶體管的主要參數(shù)如表1所示。

2.2.2 ?電阻[R1，R2，R3]的確定

[R1]的取值可以通過(guò)門(mén)極觸發(fā)電壓和電流近似估算得到;[R2]可以根據(jù)器件結(jié)構(gòu)算出，但在GCT的環(huán)形結(jié)構(gòu)中只能做近似計(jì)算，也可以參考GTO模型中取值的方法;[R3]可以在[R1，R2]確定之后，通過(guò)給模型加漸變的電壓，調(diào)節(jié)[R3]的值使轉(zhuǎn)折導(dǎo)通電壓相符后，即可獲得[R3]的值。具體計(jì)算可根據(jù)文獻(xiàn)[11]中提供的方法，最終得到[R1，R2，R3]的值如表2所示（[R4，R5，R6]類同）。在此，分布參數(shù)值取GTO模型中的經(jīng)驗(yàn)取值[10]，如表2所示。

3 ?IGCT動(dòng)態(tài)特性測(cè)試電路與動(dòng)態(tài)仿真

3.1 ?動(dòng)態(tài)特性測(cè)試電路

利用ABB數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的測(cè)試電路，在PSPICE軟件下搭建4.5 kV/4 kA IGCT動(dòng)態(tài)特性測(cè)試電路如圖6所示。圖中方框內(nèi)為被測(cè)GCT器件模型。按數(shù)據(jù)手冊(cè)中的測(cè)試電路，采用純感性負(fù)載，并取感性負(fù)載Load（200 mH），F(xiàn)WD為續(xù)流二極管;采用[VS]（2 800 V）直流電壓源，[VS]兩端并聯(lián)濾波電容[CS]（4 700 mF）;緩沖及箝位電路包括緩沖電感[Li]（5 mH）、箝位二極管DCL、箝位電容[CCL]（10 mF）、箝位電阻[RS]（0.65 Ω）。電路的雜散電感[LCL=]0.3 mH。門(mén)極觸發(fā)信號(hào)采用分段線性電壓源[VG]，開(kāi)通觸發(fā)信號(hào)取為+20 V，關(guān)斷信號(hào)為-20 V。門(mén)極回路的雜散電感[LG]為3 nH，寄生電阻[RG]為2 mΩ。

3.2 ?開(kāi)通仿真波形

采用上述電路模型仿真得到GCT開(kāi)通過(guò)程中陽(yáng)極電壓[VAK]、陽(yáng)極電流[iA]波形如圖7所示。在50 ?s時(shí)發(fā)出開(kāi)通命令，在51 ?s時(shí)刻陽(yáng)極電壓[VAK]從0.9 [VDC]下降至0.1 [VDC]，開(kāi)通下降時(shí)間[tf]在1 ?s內(nèi)，與指標(biāo)[tf] ≤1 ?s一致。陽(yáng)極電流[iA]上升至4 kA，滿足GCT的開(kāi)通條件。

3.3 ?關(guān)斷仿真波形

圖8給出了IGCT模型關(guān)斷時(shí)陽(yáng)極電流[iA]、陰極電流[iK]及門(mén)極電流[iG]波形圖。由圖8可知，500 ms發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，陽(yáng)極電壓[VAK]上升，陽(yáng)極電流下降[0.4ITGQM]（1.6 kA）關(guān)斷延遲時(shí)間[tdoff]為5.5 ms， 符合指標(biāo)參數(shù)[tdoff≤]7 ?s。關(guān)斷時(shí)陰極電流[iK]在2.42 ms內(nèi)反向恢復(fù)到零，即陽(yáng)極電流2.42 ms內(nèi)完全換流到門(mén)極，而陽(yáng)極電壓[VAK]約在2.45 ms后開(kāi)始上升，關(guān)斷條件[Δt>0]成立，說(shuō)明采用該模型可以描述IGCT的硬驅(qū)動(dòng)工作模式，最終陽(yáng)極電流[iA]下降為0，GCT關(guān)斷結(jié)束?？梢?jiàn)，所建立的IGCT等效電路模型符合IGCT器件的關(guān)斷過(guò)程中的換流特征。同時(shí)，圖中[iA，iG，iK]也與圖4的理想IGCT關(guān)斷波形一致，由此可以證實(shí)本文所建立的IGCT仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性。

3.4 ?2.5 kA/4.5 kV IGCT關(guān)斷仿真和文獻(xiàn)實(shí)測(cè)波形對(duì)比

為了驗(yàn)證IGCT模型的可行性，圖9為4.5 kV/2.5 kA的IGCT關(guān)斷過(guò)程中[VAK]和[iA]的文獻(xiàn)實(shí)測(cè)波形[11]與模型仿真波形。實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件為[ITGQ=]2.5 kA，[VDC=]2.8 kV，[VTM=]2.1 V。

由圖9a）文獻(xiàn)實(shí)測(cè)波形可見(jiàn)，關(guān)斷時(shí)間約為9 ?s，關(guān)斷延遲時(shí)間約為4 ?s，陽(yáng)極電壓峰值[VDM]約為3.8 kV，[VDSP]約為3.4 kV（小于4.5 kV），陽(yáng)極最大可關(guān)斷電流實(shí)測(cè)值達(dá)到2.5 kA。由圖9b）仿真波形可見(jiàn)，關(guān)斷時(shí)間約為8 ?s，關(guān)斷延遲時(shí)間約為3.5 ?s，陽(yáng)極電壓峰值[VDM]約為3.7 kV，[VDSP]約為3.4 kV（小于4.5 kV），陽(yáng)極最大可關(guān)斷電流實(shí)測(cè)值達(dá)到2.5 kA。陽(yáng)極峰值電壓、最大可關(guān)斷電流、關(guān)斷時(shí)間仿真結(jié)果均與實(shí)測(cè)結(jié)果上保持了較好的一致性。

3.5 ?3.3 kA/4.5 kV IGCT關(guān)斷仿真和器件仿真波形對(duì)比

為了驗(yàn)證IGCT模型的通用性，進(jìn)一步對(duì)電流等級(jí)4.5 kV/3.3 kA的IGCT關(guān)斷過(guò)程仿真波形與器件仿真波形進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件為[VDC=]2.8 kV，[ITGQ=]3.3 kA，[VTM=]2.1 V。圖10a）為采用器件仿真軟件（ISE）數(shù)值分析仿真曲線。圖10b）為采用本文建立的IGCT仿真模型得到的關(guān)斷曲線。

由圖10a）可知，器件關(guān)斷時(shí)間約為10 ?s，關(guān)斷延遲時(shí)間約為4 ?s，陽(yáng)極電壓峰值[VDM]約為4 kV，VDSP約為3.6 kV（小于4.5 kV），陽(yáng)極最大可關(guān)斷電流值達(dá)到3.3 kA。由圖10b）模型仿真波形可見(jiàn)，關(guān)斷時(shí)間約為11 ?s，關(guān)斷延遲時(shí)間約為4 ?s，陽(yáng)極電壓峰值[VDM]約為4 kV，[VDSP]約為3.6 kV（小于4.5 kV），陽(yáng)極最大可關(guān)斷電流值達(dá)到3.3 kA。對(duì)比可知，4.5k V/3.3 kA系列IGCT的模型仿真結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果相差較小，均與產(chǎn)品手冊(cè)相符較好（關(guān)斷時(shí)間不超過(guò)12 ?s，關(guān)斷延遲時(shí)間[tdoff]小于7 ?s，兩個(gè)電壓峰值小于4.5 kV）。表明該模型可用于等效4.5 kV/3.3 kA IGCT，具有一定的通用性。

4 ?結(jié) ?論

本文建立了一種適用于電路仿真的IGCT電學(xué)等效模型，提取了關(guān)鍵的模型參數(shù)。采用PSPICE軟件對(duì)其開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行仿真，并將仿真波形與實(shí)測(cè)波形、器件仿真波形進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，采用該等效模型可以較準(zhǔn)確地反映不同電流等級(jí)的IGCT的電學(xué)特性，具有一定通用性，從而用于IGCT驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單系統(tǒng)的仿真研究，為IGCT的應(yīng)用研究、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)和仿真提供參考。本模型仍需進(jìn)一步改進(jìn)，可以加入實(shí)際器件隨溫度變化而變化的模型參數(shù)，從而表征不同環(huán)境溫度下IGCT的工作特征。

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