IGCT電學模型的建立與驗證

宋陽 王興祿

關鍵詞： IGCT; 電力電子器件; 電學模型; 動態(tài)特性; 硬驅(qū)動; 門極換流

中圖分類號： TN103?34; TP335 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

集成門極換流晶閘管（IGCT）是在門極可關斷晶閘管（GTO）的基礎上發(fā)展起來的一種大功率半導體開關器件，通過印刷電路板將GCT芯片與其門極驅(qū)動電路連接在一起，使門極驅(qū)動回路電感限制在納亨（nH）水平，實現(xiàn)門極換流和硬驅(qū)動。隨著IGCT研究的進一步發(fā)展及其可靠性的提高，其市場前景將會更加廣闊[1?4]。在IGCT的仿真和實驗中，多數(shù)用二極管來替代IGCT器件的門陰極，這給IGCT的驅(qū)動電路設計和基于IGCT的各種應用電路的研究造成了很大困難和偏差，目前國內(nèi)外各類仿真軟件都沒有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，國內(nèi)外學者已經(jīng)對IGCT建模進行了相關的研究，已建立了IGCT的物理學模型和IGCT綜合型電荷控制模型，這兩種模型都屬于物理模型[5?6]，不適合于實際電路中的器件特性仿真。在用PSIM軟件進行電力電子電路仿真時采用IGCT的功能型模型[2，7]，PSIM軟件電學模型[8?9]只是針對PSIM仿真軟件，僅可以模擬GCT開通，無法表征GCT在硬驅(qū)動條件下的關斷特性和換流過程[2]。為了描述IGCT的門極換流效果，本文基于非對稱型IGCT結構和元件參數(shù)，采用PSPICE軟件仿真IGCT的開關特性，并通過與實測波形、器件仿真波形進行對比，驗證了該電學模型的準確性和通用性。

1 ?GCT結構、原理與開關特性

1.1 ?GCT的基本結構與等效電路

GCT是在GTO的基礎上，采用透明陽極、場阻止層等技術，構成了一個p+nn-pn+五層晶閘管結構，如圖1所示?？梢钥醋饔蒔1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管Q1，Q2組成，得到GCT雙晶體管等效模型，如圖2所示。

1.2 ?GCT的開關原理

當在GCT的陽?陰極間加上適當?shù)恼螂妷海╗VAK>]0），門陰極間加上電流幅值[IGM]和上升率[diGdt]很高的正脈沖電流時，GCT會由正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導通狀態(tài)，可以看成兩個正反饋的晶體管（PNP和NPN），如圖3a）所示。門極正脈沖電流使NPN晶體管的J3結瞬間全部導通，均勻地向p基區(qū)注入電子，進入p基區(qū)的電子擴散到J2結附近，被反偏的J2結掃入[n-]基區(qū)，導致[n-]基區(qū)的電位下降，從而引起透明陽極均勻地向[n-]基區(qū)注入空穴。由此導致陽極PNP晶體管和陰極NPN晶體管之間互相驅(qū)動，形成正反饋。當陽極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，GCT大面積均勻?qū)āｉ_通過程中陽極電壓[VAK]下降，[VAK]從0.9 [VDC]下降至0.1 [VDC]為開通下降時間[t]，指標參數(shù)[tf]≤1 ?s，陽極電流[iA]上升。

如圖3b）所示，當GCT采用強的負脈沖（[iG?]0）進行關斷，即在門陰極間加上電流幅值[-iGQ]和上升率[-diGdt]都很高的負脈沖電流，使負門極電流在1 ms以內(nèi)上升到陽極電流的幅值。[p]基區(qū)的空穴從門極被快速抽取，使得門陰極結（J3結）迅速截止，其NPN晶體管隨即關斷，幾乎所有的陽極電流都從門極流出，于是GCT相當于一個基極開路的PNP晶體管進而被關斷。陽極電流下降[0.4ITGQM]所用時間為關斷延遲時間[tdoff]， 指標參數(shù)[tdoff≤]7 ?s，最終陽極電流[iA]下降為0，GCT關斷結束。

1.3 ?IGCT的關斷波形

圖4給出了IGCT模型關斷時陽極電流[iA]、陰極電流[iK]及門極電流[iG]波形圖。在[t=0]時，關斷管快速閉合給門極加上高[didt]的負脈沖電流[iG]，[iA=iL]，[iK]會隨著[iG]迅速下降。到[t1]時刻，[iK]下降為0，J3結開始反向恢復，到[t2]時刻[iK]的反向電流達到峰值，在[t3]時刻[iG=-iL]，J3的反向恢復結束。門陰極間的換流過程結束，陽極電流全部換流到門極。在[t4]時陽?陰極電壓[VAK]開始上升。[t2]和[t4]之差用來判斷器件是否運行在GCT模式，通常把這作為硬驅(qū)動的標準，即時間差[Δt=t4-t2>0]。[t5]時刻[VAK]達到線電壓[VDC]，[iA]很快下降。[t6]時刻[iA]，[iG]均變?yōu)?，GCT完成整個關斷過程。

2 ?IGCT電路仿真模型的建立

2.1 ?電學模型的建立

本文所建立的IGCT電學模型如圖5所示，該模型由兩個GCT單元和GCT結構的分布參數(shù)電路構成，每個GCT單元采用一個2T?3R模型，包括一對PNP，NPN晶體管和3個表征靜態(tài)特性的電阻。經(jīng)過仿真實驗，當并聯(lián)的2T?3R模型單元數(shù)>2時，仿真精度并沒有明顯的改善。圖中Q1和Q2，Q3和Q4各為1對晶體管，[R1，R4]表示門極區(qū)等效電阻，主要反映GCT的門極觸發(fā)特性。在GCT門極加上觸發(fā)信號后，導通前門極的電壓和電流主要由[R1，R4]承擔，導通后門極電流通過Q2的發(fā)射極;[R2，R5]是陽極等效電阻，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，描述關斷過程中空間電荷區(qū)在高阻的[n]基區(qū)擴展時中性區(qū)的電阻，主要反映GCT正向阻斷恢復時的特性;[C1，C2]表示J2結勢壘電容，主要影響GCT的關斷特性[10]。用[RD，CD]構成的RC延時電路描述各層之間觸發(fā)信號的傳輸延時，用互感[M]描述兩個單元間的相互作用，用門極接觸電阻[RGC]描述不同陰極條與門極間的連接關系，用陰極電阻[RKC]表示陰極電流在不同單元間的分配關系。

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]的取值應滿足兩個條件： [α1+α2]的取值略大于1，使GCT導通時處于臨界導通狀態(tài)，從而為關斷創(chuàng)造條件;[α1，α2]的匹配應使Q2先快速關斷，以快速完成電流從陰極換流到門極。[α2]過大易使Q2進入過飽和狀態(tài)，而[α2]過小又會導致[α1]過大，這會讓Q1易進入過飽和狀態(tài)，使GCT關斷時間增大。所以，選取[α1，α2]的值時應折衷考慮。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]的取值可以通過門極觸發(fā)電壓和電流近似估算得到;[R2]可以根據(jù)器件結構算出，但在GCT的環(huán)形結構中只能做近似計算，也可以參考GTO模型中取值的方法;[R3]可以在[R1，R2]確定之后，通過給模型加漸變的電壓，調(diào)節(jié)[R3]的值使轉(zhuǎn)折導通電壓相符后，即可獲得[R3]的值。具體計算可根據(jù)文獻[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)驗取值[10]，如表2所示。

3 ?IGCT動態(tài)特性測試電路與動態(tài)仿真

3.1 ?動態(tài)特性測試電路

利用ABB數(shù)據(jù)手冊中給出的測試電路，在PSPICE軟件下搭建4.5 kV/4 kA IGCT動態(tài)特性測試電路如圖6所示。圖中方框內(nèi)為被測GCT器件模型。按數(shù)據(jù)手冊中的測試電路，采用純感性負載，并取感性負載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。門極觸發(fā)信號采用分段線性電壓源[VG]，開通觸發(fā)信號取為+20 V，關斷信號為-20 V。門極回路的雜散電感[LG]為3 nH，寄生電阻[RG]為2 mΩ。

3.2 ?開通仿真波形

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

3.3 ?關斷仿真波形

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

3.4 ?2.5 kA/4.5 kV IGCT關斷仿真和文獻實測波形對比

為了驗證IGCT模型的可行性，圖9為4.5 kV/2.5 kA的IGCT關斷過程中[VAK]和[iA]的文獻實測波形[11]與模型仿真波形。實驗的測試條件為[ITGQ=]2.5 kA，[VDC=]2.8 kV，[VTM=]2.1 V。

由圖9a）文獻實測波形可見，關斷時間約為9 ?s，關斷延遲時間約為4 ?s，陽極電壓峰值[VDM]約為3.8 kV，[VDSP]約為3.4 kV（小于4.5 kV），陽極最大可關斷電流實測值達到2.5 kA。由圖9b）仿真波形可見，關斷時間約為8 ?s，關斷延遲時間約為3.5 ?s，陽極電壓峰值[VDM]約為3.7 kV，[VDSP]約為3.4 kV（小于4.5 kV），陽極最大可關斷電流實測值達到2.5 kA。陽極峰值電壓、最大可關斷電流、關斷時間仿真結果均與實測結果上保持了較好的一致性。

3.5 ?3.3 kA/4.5 kV IGCT關斷仿真和器件仿真波形對比

為了驗證IGCT模型的通用性，進一步對電流等級4.5 kV/3.3 kA的IGCT關斷過程仿真波形與器件仿真波形進行對比，實驗的測試條件為[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仿真模型得到的關斷曲線。

由圖10a）可知，器件關斷時間約為10 ?s，關斷延遲時間約為4 ?s，陽極電壓峰值[VDM]約為4 kV，VDSP約為3.6 kV（小于4.5 kV），陽極最大可關斷電流值達到3.3 kA。由圖10b）模型仿真波形可見，關斷時間約為11 ?s，關斷延遲時間約為4 ?s，陽極電壓峰值[VDM]約為4 kV，[VDSP]約為3.6 kV（小于4.5 kV），陽極最大可關斷電流值達到3.3 kA。對比可知，4.5k V/3.3 kA系列IGCT的模型仿真結果與數(shù)值仿真結果相差較小，均與產(chǎn)品手冊相符較好（關斷時間不超過12 ?s，關斷延遲時間[tdoff]小于7 ?s，兩個電壓峰值小于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 ?論

本文建立了一種適用于電路仿真的IGCT電學等效模型，提取了關鍵的模型參數(shù)。采用PSPICE軟件對其開關特性進行仿真，并將仿真波形與實測波形、器件仿真波形進行對比分析。結果表明，采用該等效模型可以較準確地反映不同電流等級的IGCT的電學特性，具有一定通用性，從而用于IGCT驅(qū)動電路簡單系統(tǒng)的仿真研究，為IGCT的應用研究、驅(qū)動與保護電路的設計和仿真提供參考。本模型仍需進一步改進，可以加入實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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