电力电子开关器件仿真模型比较doc-晶闸管的双三极管模型.docx

电力电子开关器件仿真模型比较

张薇琳张波丘东元褚利丽
（广州华南理工大学电力学院，广东广州510640）
ModelingofPowerElectronicDevices
ZhangWei-lin,ZhangBo,QiuDong-yuan,ChuLi-li
(CollegeofElectricEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,510640,China)
摘要：电力电子开关器件的模型建立一直是一个研究难点，其真实性和精确性是衡量建模的标准。本文对基本电力电子开关器件如二极管、GTO、晶闸管、MOSFET和IGBT的现有仿真模型进行了归纳和总结，并比较了各种器件不同模型之间的优缺点和适用场合，由此为电力电子开关器件的分析提供研究基础。
关键字：功率二极管；GTO；晶闸管；MOSFET；IGBT；仿真模型
Abstract:Thereisalwaysadifficultyinmodelingofpowerelectronicdevices,withthevalidityandaccuracyasitsjudgment.Thispaperreviewsgenericmodelingapproachesandsimulationsofsomepowerelectronicdevices,includingpowerdiode,GTO,thyristor,MOSFETandIGBT.Theirbasicprinciplesaredescribedandtheirmeritsandlimitationsareremarked,whichprovidesabasisforanalysisofpowerelectronicdevices.
Keywords:powerdiode,GTO,thyristor,MOSFET,IGBT,simulationmodel

1引言
电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。而对电力电子器件的仿真，对于电力电子装置的研究、设计、分析及应用都有重要意义。仿真计算的首要问题是电力电子器件的建模，国内外现已发表多篇论著。目前有两种建模途径，一是从器件内在物理过程出发推导出相应的方程组，其对应的电路就是器件的模型。一是从器件的外部特性出发，设计一个具有该特性的集总参数电路，它就是模拟器件外部特性的模型。前者复杂完善，多用于电路分析，多用于器件的设计和制造。后者较简单，多用于电路分析，尤其是对整个电力电子电路的仿真。
本文对常用电力电子器件做了简单的介绍，给出了一般主流电力电子器件的仿真模型和原理，比较了每种器件不同模型之间的优缺点，为深入的理论研究和实际应用打下基础。

2功率二极管模型
二极管产生于上世纪40年代[1]，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件，对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。

（1）SPICE中二极管模型

SPICE的二极管模型由下式建立

（1）
式中为PN结两端的外加电压；为流过PN结的电流；代表半导体体电阻和引线接触电阻；为反向饱和电流；为非理想化因子，其值与有关，是温度的电压当量。SPICE二极管模型由图1表示，电容代表二极管的非线性电容效应，和代表PN结的伏安特性（
）。

图1SPICE二极管模型

（2）定压降模型

若考虑二极管的导通电压，忽略二极管的导通电阻，此时二极管的特性曲线如图2（a）所示的两条直线来等效，相应的等效电路如图2（b）。

实际
定压降模型

（a）伏安特性

（b）等效电路
图2二极管定压降模型
（3）分段线性模型

若考虑二极管的导通电压，并考虑其导通电阻，二极管的伏安特性可以用两段直线逼近，如图3（a），两段直线的交点为导通电压，导通后一段直线的斜率为，称为二极管的导通电阻。二极管分段线性等效模型如图3（b）。

实际
分段线性
模型

(a)伏安特性

（b）等效电路
图3二极管分段线性模型
在上面介绍的几种模型中，以数学模型为基础建立的SPICE模型适合于精确计算与计算机仿真，分段线性模型与定压降模型适合于工程估算分析。
2晶闸管模型
晶闸管广泛地用于高电压、大容量的电力电子设备中，其性能优劣是设备正常安全运行的关键之一。建立晶闸管模型，进行电路的计算机辅助设计，能够揭示晶闸管在运行中所承受的电应力，指导设备的设计和研制。

（1）晶闸管的双三极管模型

图4晶闸管双三极管模型
当晶闸管加上正向阳极电压，门极也加上足够的门极电压时，则有电流从门极流入Q2管的基极，Q2管导通后，其放大后的集电极电流流