可嵌入式晶閘管暫態建模研究

高 強，黃允燦

?

可嵌入式晶閘管暫態建模研究

高 強，黃允燦

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室， 武漢 430064）

基于文獻研究明確了影響晶閘管反向恢復特性的參數因素和作用機理；在此基礎上，通過工程簡化，推導了適于建模使用的晶閘管反向恢復過程的數學模型；基于所得數學模型和對通用晶閘管模型的二次開發，建立了一種既能夠準確的定型反映晶閘管反向恢復暫態特性，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 反向恢復過程 可嵌入式建模

0 引言

晶閘管關斷時的反向恢復特性與回路電感一起會帶來關斷過電壓，嚴重時甚至會引起晶閘管過壓擊穿，在工程設計中必須給予充分的考慮。

由于晶閘管反向恢復的強非線性，解析分析十分困難，構建準確的晶閘管暫態模型進行計算機仿真是主要的研究手段[1]。目前雖然對晶閘管關斷暫態建模的研究較多，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。

本文在大量文獻研究的基礎上，明確了影響晶閘管反向恢復過程的參數因素和作用機理，結合工程實際，推導了適于工程建模的反向恢復過程的數學模型；基于Matlab軟件平臺，使用所推導的反向恢復數學模型，通過對通用的晶閘管模型進行二次開發，建立了一種既能夠反映晶閘管反向恢復暫態特性，又便于嵌入整流電路仿真使用的晶閘管仿真模型。實驗對比顯示，所建立的晶閘管仿真模型可以真實、準確的反映晶閘管的暫態恢復特性，為裝置級暫態仿真研究提供了有效的研究手段。

1 晶閘管管段暫態分析

晶閘管具有低摻雜、大注入的基區[2-4]。導通時，晶閘管基區注入大量載流子，關斷時，需要通過遷移、擴散、復合等方式使載流子濃度降低，在pn節上重新建立耗盡層，才能恢復阻斷能力，進入關斷態。關斷時，這種需要逐漸降低載流子濃度以恢復阻斷能力的特性被稱為晶閘管的反向恢復特性。

由于反向恢復特性的存在，晶閘管在關斷時遠非理想開關。下面將對晶閘管的關斷過程進行詳細的分析。

使用圖1所示的電路來考察晶閘管關斷過程。在=0-時刻，即關斷開始前一瞬間，假設開關S位于位置“1”，晶閘管電流為I。在=0時刻，開關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描述了晶閘管內部載流子移除的過程。

圖1 反壓關斷分析電路

（a）

（b）

圖2 晶閘管關斷過程示意：（a）關斷過程晶閘管端電壓、端電流變化曲線；（b）關斷過程晶閘管內部載流子移除過程

2）階段2（=1~2）：基區過量的載流子使晶閘管在電流過零后仍保持導通，此時，在反壓V的作用下，晶閘管電流繼續以V/的斜率開始負相增大，直至2時刻，J3結過量載流子濃度降至0，J3結開始恢復電壓阻斷能力，晶閘管將開始承受反壓[4-5]。

3）階段3（=2~3）：在t2時刻，J3結開始恢復電壓阻斷能力，晶閘管開始承受反壓。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結的壓降。

5）階段5（=4~5）：在t4時刻，pn節J1結的過量載流子濃度降至0， J1結開始恢復電壓阻斷能力，晶閘管管壓降V迅速增大到V。當V上升到電源電壓V時（5時刻），電流變化率降到0，反向恢復電流達到最大值I。

6）階段6（=5~6）：反向恢復電流開始迅速衰減，直至晶閘管完全關斷。此階段，反向恢復電流減小時正向的d/d會在電感上感應出一個正向的瞬態電壓Δ，這個電壓與電源反壓V一起施加在晶閘管兩端，將導致晶閘管出現關斷過電壓。

以上便是晶閘管關斷以及產生關斷過電壓的詳細的物理過程。

2 晶閘管反向恢復電流的數學模型

由上分析可知，晶閘管關斷時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，一部分是反向恢復電流正向衰減時在電路電感上感應出的電壓Δ。在工作電路確定的情況下，V和回路電感是確定的，晶閘管關斷過電壓的大小實際將由反向恢復電流的變化決定，因此，建模的核心在于對反向恢復電流的變化進行準確的建模描述。

文獻[5-8]研究指出，在J1結、J3結恢復阻斷能力，承壓進入反置狀態后，晶閘管等效為一個基極懸浮的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合過程的控制，外電路對其影響很小。晶閘管物理模型的研究證明，在反向恢復電流達到峰值后，晶閘管電流將按照指數模型衰減[4-6]，也即，設在t時刻反向恢復電流達到峰值-，則此后晶閘管反向恢復電流的正向衰減過程可表示為：

推導過程中使用了兩個假設：

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

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

圖3 衰減時間常數τ的求取

在如上假設下，反向恢復電流的波形可以簡化為圖3所示。首先按照固定的d/d線性下降至反向峰值-，之后開始指數衰減。

轉折時間t和反向峰值-之間的關系為：

假定電流的反向恢復時間為t（器件生產商一般都將t定義為連接反向恢復電流峰值點和-0.25點的直線與時間軸的交點，即圖3中所示的B點），則反向恢復電荷Q等于：

設反向恢復電流按指數函數衰減到-0.25時的時間為1（如圖3所示），則可得下列關系式：

將式（3）、（4）兩邊進行取對數得：

將式（3）代入式（5）得：

將式（1）、（2）代入式（6）得到：

3 基于Matlab平臺的建模實現

Matlab軟件自帶的電力系統工具箱內已經內置了晶閘管模塊，但該模塊對關斷做了理想假設，電流只是衰減到零，不包括反向恢復過程。為了保證工程實用，所建的仿真模型可以與軟件本身良好的兼容，本文在Matlab內置晶閘管模塊的基礎上進行了二次開發，使用第二節所示的反向恢復電流數學模型搭建反向恢復控制模塊來增加對反向恢復特性的描述，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特性的晶閘管仿真模型。

3.1 模型參數提取

以ABB公司生產的5STP06D2800晶閘管為例建模，器件手冊提供了晶閘管反向恢復電流峰值I和反向恢復存儲電荷Q的實驗測試曲線。此處，僅選擇在最惡劣的情況，節溫110℃的情況下提取數據進行仿真。

使用四次多項式擬合實驗曲線，得到產品手冊所給出的I和Q的上限和下限的表達式為：

使用上可以計算出在任意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，關斷d/d變化時也可以對晶閘管的反向恢復特性進行刻畫，這樣既定型的反映了器件的半導體特性，又可以動態的反映器件工作回路參數的變化，滿足嵌入電路仿真的要求。

3.2 封裝建模

對軟件自帶晶閘管模塊進行二次開發，使用電流源產生反向恢復電流注入軟件自帶的晶閘管模塊，使其具有反向恢復特性。模型封裝如圖4所示，主要由軟件自帶的晶閘管模塊（在此模塊中可設置通態壓降，導通門檻電壓，通態電阻等穩態和基本開通特性參數），反向恢復參數計算模塊（Subsystem1），參數鎖存模塊（Subsystem2）和反向恢復電流模型模塊（Subsystem3）組成。

圖4 帶反向恢復過程的晶閘管模型封裝

圖5 Subsystem1模塊內部組成

圖6 Subsystem3模塊內部組成

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特性，同時又可嵌入整流電路仿真使用的晶閘管模型。

4 試驗驗證

圖7 仿真電路

圖8(a)、8(b)分別為I和Q使用了器件手冊最小值擬合曲線和最大值擬合曲線時的仿真波形，圖8.c為相應工況下的實驗實測波形。從圖8可以發現，反向恢復階段，仿真波形和實測波形所反映的電壓電流變化趨勢是完全一致的，這說明本章所建模型正確了反映了晶閘管關斷時的反向恢復過程。同時，使用最大值曲線時仿真過電壓將比最小值曲線時更大，使用更大的I和Q進行仿真時，所得關斷過電壓有增大的趨勢。

（a）

（b）

（c）

圖8 實驗與仿真對比（AC980 V，DC950 V，工作電流3000 A）：（a）最小值曲線仿真，（b）最大值曲線仿真，（c）實驗測試

從數據上來說：圖8a、b、c，反向恢復電流峰值分別為196 A、261 A、225 A，過電壓峰值分別為1050 V、1152 V、1107 V，仿真與實驗數據之間基本吻合，這說明本文所作出的簡化假設和所推導的簡化模型對器件暫態的刻畫是足夠準確的。

5 總結

晶閘管并不是理想開關，關斷時其固有的反向恢復特性會在回路電感感生暫態電壓疊加在晶閘管兩端，降低晶閘管電壓安全裕量，在工程設計中必須給予充分考慮。基于此，詳細地分析了影響晶閘管反向恢復過程的參數因素和作用機理，從工程實用角度，推導了適于建模的反向恢復數學模型，并進行了建模實現。模型參數均可以方便的從器件廠家提供的器件手冊中得到，在保證定型刻畫晶閘管反向恢復特性的基礎上，也保證了模型的可實現性，可以直接嵌入到整流電路中進行裝置級暫態仿真，為裝置級暫態仿真研究提供了有效的研究手段。

[1] Getreu I E．Modeling the Bipolar Transistor．New York: Elseveir, 1978．

[2] B．Jayant Baliga．Modern Power Devices[M]．New York：Wiley, 1987．

[3] Ghandi S K． Semiconductor Power Devices[M]. John Wiley&Sons, Inc., 1977．

[4] Danielsson B E．Studies of tum-off effects in power semiconductor devices[J]．Solid-State Electronics, 1985, 28(4): 375-391．

[5] Mohan N, Undeland T M, Robbins W P．Power Electronics[M]．John Wiley & Sons, Inc., 1995: 596–611．

[6] Schuster K, Spenke E．The voltage step at the switching of alloyed pin rectifiers[J]．Solid-state Electronics, 1965, 8: 881-882．

[7] Benda H, Spenke E．Reverse Recovery Process in Silicon Power Rectifiers[J]．Proceedings of the IEEE Specialist Annual, 1967, 55(8): 1331-1354．

[8] Benda H, Hoffmann A, Spenke E．Switching processes in alloyed pin rectifiers[J]．Solid-State Electronics, 1965, 8: 887-906．

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