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）ModelingofPowerElectronicDevicesZhangWei-linZhangBoQiuDong-yuanChuLi-li(CollegeofElectricEngineeringSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou510640China)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:Thereisalwaysadifficultyinmodelingofpowerelectronicdeviceswiththevalidityandaccuracyasitsjudgment.ThispaperreviewsgenericmodelingapproachesandsimulationsofsomepowerelectronicdevicesincludingpowerdiodeGTOthyristorMOSFETandIGBT.Theirbasicprinciplesaredescribedandtheirmeritsandlimitationsareremarkedwhichprovidesabasisforanalysisofpowerelectronicdevices.Keywords:powerdiodeGTOthyristorMOSFETIGBTsimulationmodel1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入