本发明涉及一种门极换流晶闸管物理模型建模方法。
背景技术：
：集成门极换流晶闸管(integratedgatecommutatedthyristor，IGCT)由核心器件门极换流晶闸管(gatecommutatedthyristor，GCT)与集成门极电路两部分组成，在门极关断晶闸管的基础上，采用了透明阳极、缓冲层结构、集成门极等技术，使IGCT兼具晶体管与晶闸管的双重优点，具有通流能力强、通态压降低、开关速度快等特性，在中高压领域优势明显，受到各国科研工作者的关注，并在大容量电力电子变换器装置中得到广泛应用。但截至目前为止，在电力电子领域应用较广的商业软件功率器件模型库中均未包含IGCT及GCT模型，为包含IGCT变流器的相应仿真工作设置了障碍，因此，为便于GCT的研究与分析，建立一种适用于电路仿真的，精度较高的GCT物理模型迫在眉睫。目前，关于高精度GCT物理模型主要包含集总电荷模型、傅里叶级数模型、有限差分模型及有限元模型。集总电荷模型将器件各区域分为三个集总电荷点，位于两侧边沿的点为连接点，位于中间的点为电荷存储点，各区域集总电荷点通过电流密度方程等基本关系式，可得以电荷和电压为变量的电路方程组。因该模型对器件内部物理过程进行了大量简化和近似，精度相对较差。基于数值求解方法的有限差分模型，是将描述器件载流子特性的双极输运方程转化为差分方程，实现对非线性偏微分方程的讲解处理，虽模型精度较高，但参数较多且不易提取。基于有限元方法的GCT模型为三维模型，将器件各区域划分成有限个网格，在每个网格区域内近似求解载流子浓度的分布，该方法精度极高，但三维模型参数量极多，且对软件计算能力要求较高，不适宜大规模的电路仿真。基于傅里叶级数法的IGCT物理模型，利用傅里叶级数求解N基区双极扩散方程，可得到不同时间及空间时，N基区载流子的分布情况，该方法参数较少且较易提取，并兼顾了模型的仿真精度与速度。文献《ImplementationandValidationofaPhysics-basedCircuitModelforIGCTwithfulltemperaturedependecies》即为采用傅里叶级数法建立的GCT物理模型，除N基区采用傅里叶级数法建模外，P基区及N缓冲层分布采用电荷控制法及准静态法建模，但该模型存在不足之处，傅里叶级数法有待改进；未考虑N基区非耗尽区注入状态随GCT运行特性的变化；且P基区采用线性假设使该区域少子计算过程繁琐，且物理意义不明确；针对现在广泛应用的具备更强同流能力的IGCT，该模型暂态精度有待提高。因此，对现有傅里叶级数模型进行改进，建立适用于电路仿真且具备更高精度的改进型傅里叶级数模型尤为重要。技术实现要素：现有技术未考虑GCT模型重点建模区域N基区非耗尽区注入状态随GCT运行特性的变化，且N基区耗尽区压降的计算方法较难兼顾大功率GCT模型的关断能力及关断暂态端电压VAK精度，为了克服现有技术建模方法不完善、模型精度不足的缺点，满足高精度GCT物理模型的需要，本发明提出一种适用于电路仿真的门极换流晶闸管(GCT)物理模型建模方法，本发明较现有傅里叶级数模型具备更高的精度。本发明所建立的适用于电路仿真的GCT物理模型包含N缓冲层、N基区、P基区及压降等四个子模型。本发明建模方法包含以下步骤：步骤1：基于改进型傅里叶级数法，并考虑过剩载流子注入状态变化，建立N基区子模型；步骤2：采用双曲正弦法建立P基区子模型；步骤3：采用准静态法建立N缓冲层子模型；步骤4：根据各区域子模型及相邻区域PN结压降建立承压子模型。步骤5：根据步骤1～步骤4得到的子模型，建立完整的GCT物理模型。每一步骤具体说明如下：1、所述步骤1中，基于改进型傅里叶级数法，考虑过剩载流子注入状态变化，建立N基区子模型的具体步骤如下：(1)现有傅里叶级数法建立GCTN基区物理模型的过程如下：由电子和空穴连续性方程及电流密度方程，并考虑电中性条件，可得N基区非耗尽区双极输运方程：其中，D为双极扩散系数，表达式为：μ为双极迁移率，表达式为：E为电场强度，表达式为：式(1)～(4)中，n为N基区非耗尽区电子浓度，p为N基区非耗尽区空穴浓度，Dn为电子扩散系数，Dp为空穴扩散系数，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，τ为N基区非耗尽区非平衡状态时空穴寿命，J为全电流密度，q为电子电荷，x为N基区非耗尽区位置变量，δp为N基区非耗尽区过剩空穴浓度。为便于后续推导，下述用p代替δp；由于N基区为低掺杂，当N基区非耗尽区注入的非平衡少数载流子即过剩空穴浓度远大于N基区掺杂浓度NBN时，N基区满足大注入条件。采用现有傅里叶级数法建立的N基区非耗尽区子模型是N基区非耗尽区始终满足大注入条件，即注入空穴浓度远大于掺杂浓度NBN，由半导体内部电中性条件，可知p≈n，代入式(2)～(3)得μ≈0，代入式(1)可得大注入时的N基区非耗尽区双极扩散方程：其中，D为N基区非耗尽区双极扩散系数，τH为N基区非耗尽区大注入时过剩空穴寿命，p为N基区非耗尽区过剩空穴浓度，x为N基区非耗尽区位置变量，t为时间变量。基于傅里叶级数法，N基区非耗尽区过剩空穴浓度p(x,t)用离散余弦傅里叶级数表示：其中，x∈[x1，x2]，x1为N基区非耗尽区左侧边界，x2为N基区非耗尽区右侧边界，x1至x2为N基区非耗尽区，P0(t)和Pk(t)表达式为：其中，系数k＝1，2，3…，x1为N基区非耗尽区左侧边界，x2为N基区非耗尽区右侧边界，p(x,t)为N基区非耗尽区过剩空穴浓度。将式(6)～(8)代入式(5)，可将式(5)化为通过等效RC并联电路求解的一阶微分方程：其中，下标k＝0，1，2，3…，Rk为等效RC并联电路的电阻，Ck为等效RC并联电路的电容，Ik为等效RC并联电路的电流源，均为非耗尽区宽度x21的函数；Iforce等效为主电路电流源，为N基区非耗尽区边界条件的函数。针对式(9)中的下标k取偶数和奇数时，Iforce分为Ieven和Iodd，表达式为：其中，p(x,t)为N基区非耗尽区过剩空穴浓度，D为N基区非耗尽区双极扩散系数，x1为N基区非耗尽区左侧边界，x2为N基区非耗尽区右侧边界，Ieven为式(9)中的下标k取偶数时等效RC并联电路主电路电流源，Iodd为k取奇数时等效RC并联电路主电路电流源。由电子和空穴全电流公式，及N基区非耗尽区满足注入的过剩空穴浓度远大于N基区掺杂浓度NBN的大注入条件，可得非耗尽区边界处空穴梯度表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，In1为N基区非耗尽区左侧边界电子电流，Ip1为N基区非耗尽区左侧边界空穴电流，In2为N基区非耗尽区右侧边界电子电流，Ip2为N基区非耗尽区右侧边界空穴电流，Dn为电子扩散系数，Dp为空穴扩散系数，x1为N基区非耗尽区左侧边界，x2为N基区非耗尽区右侧边界。则式(10)可化为：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，In1与Ip1分别为N基区非耗尽区左侧边界电子与空穴电流，In2与Ip2分别为N基区非耗尽区右侧边界电子与空穴电流，Dn和Dp分别为电子和空穴扩散系数，Ieven为式(9)中的下标k取偶数时等效RC并联电路主电路电流源，Iodd为k取奇数时等效RC并联电路主电路电流源。当IGCT正向阻断时，N基区与P基区形成的PN结反偏，在N基区右侧形成较宽的耗尽区，N基区耗尽区压降VSC表达式为：其中，K为正常数，px2为N基区非耗尽区右侧边界x2处过剩空穴浓度。由于N基区掺杂浓度最低，故几乎承受全部压降，N基区非耗尽区宽度x21随N基区耗尽区承压的增大逐渐变窄，表达式为：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，WN为N基区宽度，NBN为N基区掺杂浓度，IA为门极换流晶闸管物理模型的阳极电流，Vsat为N基区耗尽区空穴饱和速度。将式(12)代入式(9)，相当于RC并联电路主电路的电流源已知，则可求得RC并联电路端电压P0及Pk，将RC并联电路端电压P0、Pk及式(14)代入式(6)，求得N基区非耗尽区位置x的函数，则可得大注入时N基区非耗尽区任意时空的过剩少子浓度p(x,t)。大注入时N基区非耗尽区任意时空的过剩少子浓度p(x,t)的求得，便可建立N基区大注入时非耗尽区模型。式(13)建立N基区耗尽区的承压模型时，采用了N基区非耗尽区右侧边界浓度px2，且式(13)得到的VSC是式(14)计算N基区非耗尽区宽度x21的前提条件，故式(13)与式(14)将N基区非耗尽区与耗尽区联系在了一起。以上为采用现有傅里叶级数法建立N基区模型的过程。(2)本发明采用的所述改进型傅里叶级数法建立GCTN基区物理模型的过程如下：N基区耗尽区压降VSC表达式由式(13)改进为式(15)：其中，KP、KI分别为比例系数和积分系数，px2为N基区非耗尽区右侧边界x2处过剩空穴浓度。式(15)在现有傅里叶级数法式(13)基础上，增加了积分环节-KI∫px2dt。为克服现有傅里叶级数法的N基区耗尽区压降Vsc的表达式单纯比例调节稳态误差较大的缺点，以及单纯积分调节响应慢、动态性能差的不足，消除VAK稳态误差及振荡，提高模型控制精度，本发明采用改进型傅里叶级数法的N基区耗尽区压降Vsc的表达式。此外，所述的改进现有傅里叶级数法的N基区耗尽区压降Vsc的表达式在比例环节-KP·px2和积分环节-KI∫px2dt前增加了模糊化环节，根据仿真时间t，针对关断过程实现KP、KI动态控制，即门极换流晶闸管物理模型关断前，KP、KI取较小的定值，当门极换流晶闸管物理模型进入关断暂态时，KP、KI随仿真时间t的增大而增大，直至增大到KP、KI的较大设定值，兼顾了电压关断暂态和稳态精度。(3)考虑N基区非耗尽区过剩载流子注入状态影响的方法如下：当N基区非耗尽区注入的过剩空穴浓度远小于N基区掺杂浓度时，N基区非耗尽区处于小注入状态。小注入时，双极迁徙率μ约等于空穴迁移率μp，双极扩散系数D约等于空穴扩散系数Dp，场强E约等于0，则双极输运方程可化为小注入时双极扩散方程：其中，τp为小注入时N基区非耗尽区过剩空穴寿命，Dp为空穴扩散系数，p为小注入时N基区非耗尽区过剩空穴浓度，x为N基区非耗尽区位置变量，t为时间变量。由电子和空穴全电流公式，及N基区非耗尽区满足注入的过剩空穴浓度小于N基区掺杂浓度NBN的小注入条件，可得非耗尽区边界处空穴梯度表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Ip1为N基区非耗尽区左侧边界空穴电流，Ip2为N基区非耗尽区右侧边界空穴电流，Dp为空穴扩散系数，x1为N基区非耗尽区左侧边界，x2为N基区非耗尽区右侧边界。将式(17)代入式(11)，可得N基区非耗尽区小注入时，式(9)中的下标k取偶数时等效RC并联电路主电路电流源Ieven，及k取奇数时等效RC并联电路主电路电流源Iodd的表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Ip1为N基区非耗尽区左侧边界空穴电流，Ip2为N基区非耗尽区右侧边界空穴电流。将式(6)～(8)代入式(16)，亦可将式(16)化为通过等效RC并联电路求解的一阶微分方程(9)。将式(18)代入式(9)，相当于RC并联电路主电路的电流源已知，则可求得RC并联电路端电压P0及Pk，将RC并联电路端电压P0、Pk及式(14)代入式(6)，式(6)变为N基区非耗尽区位置x的函数，则可得小注入时N基区非耗尽区任意时空的过剩少子浓度p(x,t)。小注入时N基区非耗尽区任意时空的过剩少子浓度p(x,t)的求得，表明实现了对N基区小注入时非耗尽区模型的建立。以上为本发明考虑的N基区注入状态影响对N基区非耗尽区建模方法的补充。现有傅里叶级数法仅靠考虑了N基区大注入状态，忽视了门极换流晶闸管运行特性对N基区注入状态的影响。本发明根据门极换流晶闸管运行特性，考虑了N基区注入状态的变化，在现有傅里叶级数法建立N基区非耗尽区子模型的基础上，补充了小注入状态时N基区非耗尽区采用傅里叶级数法建模的方法。本发明对N基区非耗尽区不同注入状态的考虑，提高了模型关断暂态阳极电流IA精度。综上所述，N基区子模型包括N基区非耗尽区的大注入与小注入时的子模型，及N基区耗尽区压降子模型。2、所述步骤2采用双曲正弦法建立P基区子模型的具体方法如下。P基区过剩电子浓度np满足下式：其中，nb1为P基区右侧边界过剩电子浓度，nb2为P基区左侧边界过剩电子浓度，WP为P基区宽度，Ln为P基区电子扩散距离，y∈[0，WP]。由N基区与P基区形成的PN结J2的玻尔兹曼关系得：其中，q为电子电荷量，NBP为P基区掺杂浓度，VJ2为由N基区与P基区形成的PN结J2的结压降，ni为本征载流子浓度，k为玻尔兹曼系数，T为温度。P基区电子电荷量QP和P基区过剩电子浓度np满足下式：其中，q为电子电荷量，A为有效面积，np为P基区过剩电子浓度，QP为P基区电子电荷量。将式(19)代入式(21)可得P基区右侧边界过剩电子浓度nb1表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，nb2为P基区左侧边界过剩电子浓度，WP为P基区宽度，Ln为P基区电子扩散距离，QP为P基区电子电荷量。将式(22)代入式(19)可得P基区过剩电子浓度np(y)表达式，进而可得P基区左侧边界电子浓度梯度的表达式：其中，WP为P基区宽度，Ln为P基区电子扩散距离，nb1为P基区右侧边界与左侧边界过剩电子浓度，nb2为P基区左侧边界过剩电子浓度。全电流公式为：其中，q为电子电荷量，IA为门极换流晶闸管物理模型的阳极电流，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，E为P基区场强，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，Dn为电子扩散系数，Dp为空穴扩散系数，nb2为P基区左侧边界过剩电子浓度，NBP为P基区掺杂浓度。由式(24)可得P基区场强E的表达式：其中，IA为门极换流晶闸管物理模型阳极电流，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Dn为电子扩散系数，Dp为空穴扩散系数，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，nb2为P基区左侧边界过剩电子浓度，NBP为P基区掺杂浓度。由式(22)、(23)、(25)可得P基区左侧边界电子电流In2表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，IA为门极换流晶闸管物理模型的阳极电流，WP为P基区宽度，Ln为P基区电子扩散距离，Dn为电子扩散系数，Dp为空穴扩散系数，μn电子迁移率，μp为空穴迁移率，nb1为P基区右侧边界过剩电子浓度，nb2为P基区左侧边界过剩电子浓度，NBP为P基区掺杂浓度。P基区右侧边界空穴电流Ip3表达式为：Ip3＝qAhnnb12(27)其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，hn是N+发射极复合系数，nb1为P基区右侧边界过剩电子浓度。进而可得P基区右侧边界电子电流In3表达式：In3＝IA+IG-Ip3(28)其中，IA为门极换流晶闸管物理模型阳极电流，IG为门极换流晶闸管物理模型门极电流，Ip3为P基区右侧边界空穴电流。将式(26)和式(28)代入P基区电荷控制方程式(29)，则完成采用双曲正弦法的P基区建模，所得的P基区子模型为：其中，τBHL为P基区过剩电子寿命，QP为P基区电子电荷量，In2为P基区左侧边界处电子电流，In3为P基区右侧边界处电子电流。3、所述步骤3采用准静态法建立N缓冲层子模型的具体方法如下：描述N缓冲层过剩空穴分布特性的准静态方程为：其中，τBF为N缓冲层空穴寿命，Dp为空穴扩散系数，LpH为N缓冲层空穴扩散长度，z∈[0，WH]，WH为N缓冲层宽度。则N缓冲层空穴浓度通解为：其中，C1、C2为待定系数，LpH为N缓冲层空穴扩散长度，z∈[0，WH]。将N缓冲层左侧边界浓度PH0＝p(0)及右侧边界浓度PHW＝p(WH)代入式(31)可得：其中，LpH为N缓冲层空穴扩散长度，WH为N缓冲层宽度，z∈[0，WH]。由N缓冲层与N基区构成的PN结J1的玻尔兹曼关系式可得N缓冲层右侧边界空穴浓度PHW的表达式为：其中，NH是N缓冲层掺杂浓度，NBN为N基区掺杂浓度，px1为N基区非耗尽区左侧边界x1处空穴浓度。由透明阳极P+区及N缓冲层构成的PN结J0的玻尔兹曼关系和准静态条件可知：其中，Vt为器件热电压，VJ0为J0结压降，ni为N缓冲层本征载流子浓度，NH为N缓冲层掺杂浓度，PH0为N缓冲层左侧边界浓度。由PN结理想伏安特性可得小注入时N缓冲层左侧边界电子电流In0表达式：其中，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Jsne是内建PNP晶体管发射极饱和电子电流密度，Vt为器件热电压，VJ0为J0结压降。联立式(34)和式(35)得N缓冲层左侧边界电子电流In0：其中，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Jsne是内建PNP晶体管发射极饱和电子电流密度，ni为N缓冲层本征载流子浓度，NH为N缓冲层掺杂浓度，PH0为N缓冲层左侧边界浓度。小注入时，N缓冲层空穴电流主要是扩散电流，对式(32)求导可得J0结空穴电流Ip0表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Dp为空穴扩散系数，LpH为N缓冲层空穴扩散长度，WH为N缓冲层宽度，PH0为N缓冲层左侧边界空穴浓度，PHW为N缓冲层右侧边界空穴浓度。因电子电流和空穴电流之和为全电流，可得：IA＝Ip0+In0＝Ip1+In1(38)其中，IA为门极换流晶闸管物理模型阳极电流，In0、Ip0为N缓冲层左侧边界电子及空穴电流，In1为N缓冲层右侧边界电子电流，Ip1为N缓冲层右侧边界空穴电流。将式(36)、(37)代入式(38)可得PH0与PHW关系式：其中，IA为门极换流晶闸管物理模型的阳极电流，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Dp为空穴扩散系数，Jsne是内建PNP晶体管发射极饱和电子电流密度，LpH为N缓冲层空穴扩散长度，WH为N缓冲层宽度，PH0为N缓冲层左侧边界空穴浓度，PHW为N缓冲层右侧边界空穴浓度。同理，由式(32)可得N缓冲层右侧边界空穴电流Ip1表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，Dp为空穴扩散系数，LpH为N缓冲层空穴扩散长度，WH为N缓冲层宽度，PH0为N缓冲层左侧边界空穴浓度，PHW为N缓冲层右侧边界空穴浓度。由门极换流晶闸管物理模型阳极电流IA减去N缓冲层右侧边界空穴电流Ip1可得N缓冲层右侧边界电子电流In1。将式(33)、(39)代入式(32)可得N缓冲层空穴分布情况，且In1、Ip1为N基区子模型提供了边界条件，使N缓冲层子模型与N基区子模型建立了关联。式(32)的求解，得到了N缓冲层空穴分布情况，且将N基区子模型与N缓冲层子模型建立关联，实现了采用准静态法的N缓冲层子模型的建模。4、所述步骤4利用各区域子模型及相邻区域PN结压降建立承压子模型的方法如下；因N缓冲层、P基区及两端射集区掺杂浓度高，忽略其欧姆压降；N基区非耗尽区压降Vcs为：其中，E为该区域场强，利用分段积分求解Vcs；相邻区域PN结电压则可通过玻尔兹曼关系式求解：其中，VJ0为透明阳极与N缓冲层构成的PN结J0结压降，PH0为N缓冲层左侧边界空穴浓度，NH为N缓冲层掺杂浓度，ni为N缓冲层本征载流子浓度，Vt为器件热电压；其中，VJ1为N缓冲层与N基区构成的NN结J1结压降，NBN为N基区掺杂浓度，px1为N基区非耗尽区左侧边界x1处过剩空穴浓度，Vt为器件热电压；其中，VJ2为N基区与P基区构成的PN结J2结压降，ni为N缓冲层本征载流子浓度，px2为N基区非耗尽区右侧边界x2处过剩空穴浓度，Vt为器件热电压；其中，VJ3为P基区与N+阴极构成的PN结J3结压降，nb1为P基区右侧边界过剩电子浓度，NBP为P基区掺杂浓度吗，ni为N缓冲层本征载流子浓度，Vt为器件热电压；承压子模型总压降VD为VD＝VJ0+VJ1+VCS+VSC-VJ2+VJ3(46)其中，VJ0为透明阳极与N缓冲层构成的PN结J0结压降，VJ1为N缓冲层与N基区构成的NN结J1结压降，VJ2为N基区与P基区构成的PN结J2结压降，VJ3为P基区与N+阴极构成的PN结J3结压降，Vcs为N基区非耗尽区压降，VSC为N基区耗尽区压降。5、所述步骤5中，根据步骤1～4得到的子模型，建立完整的适用于电路仿真的门极换流晶闸管物理模型。步骤5建立的适用于电路仿真的门极换流晶闸管物理模型包含N缓冲层、N基区、P基区及承压等四个子模型，N缓冲层子模型和N基区子模型以阳极电流IA为电气输入量，P基区子模型以IA及门极电流IG为电气输入量。通过N缓冲层子模型可得NN结J1的电子电流In1与空穴电流Ip1，P基区子模型可得PN结J2的电子电流In2与空穴电流Ip2，NN结J1的电子电流In1与NN结J1的空穴电流Ip1，以及PN结J2的电子电流In2与空穴电流Ip2为N基区子模型提供了两侧边界条件，并建立了N缓冲层、N基区、P基区间的关联。同时，将N缓冲层子模型得到的左侧边界浓度pH0、N基区子模型得到的左侧边界x1处空穴浓度px1与右侧边界x2处空穴浓度px2、P基区子模型得到的右侧边界过剩电子浓度nb1共同作为压降子模型的输入量，用于计算相邻区域PN结压降，联合N基区非耗尽区压降VCS及耗尽区压降VSC可得压降子模型输出电压VD，并最终以受控源的方式接入电路，实现模型与电路之间的电气关联。本发明建立的门极换流晶闸管物理模型内部结构由各区域子模型及承压子模型根据区域位置及边界条件相互连接组成，向外引出A、K、G三个电极与主电路及驱动电路连接，通过软件采集主电路电流值输入给各子模型，同时接受门极换流晶闸管物理模型关键参数的赋值文件的输出，作为门极换流晶闸管物理模型的参数，由门极换流晶闸管物理模型的门极端子引入驱动电流信号，控制门极换流晶闸管模型的工作状态和各极电压电流，用于电路仿真。在现有傅里叶级数模型的基础上，本发明采用了改进型傅里叶级数法建立N基区子模型，并考虑注了入状态变化对N基区建模的影响，在保证仿真速度的同时，提高了基于傅里叶级数法的门极换流晶闸管物理模型的仿真精度，弥补了现有商业软件模型库中无门极换流晶闸管模型的不足，对含有门极换流晶闸管的大功率变流器仿真研究起到了推动作用。附图说明图1a为GCT内部结构示意图；图1b为GCT内部载流子及电流分布示意图；图2为本发明门极换流晶闸管物理模型实施例建模方法流程图；图3为本发明门极换流晶闸管物理模型实施例的内部结构示意图；图4为本发明门极换流晶闸管物理模型实施例内部子模型关联方式示意图；图5为本发明实施例中用于测试及验证模型正确性的感性负载GCT测试电路示意图；图6a为本发明实施例中在Matlab/Simulink平台下搭建的测试电路本发明实施例仿真波形、原傅里叶级数模型仿真波形与实验实测数据开关过程模型端电压全局对比图；图6b为本发明实施例中在Matlab/Simulink平台下搭建的测试电路本发明实施例仿真波形、原傅里叶级数模型仿真波形与实验实测数据开关过程模型阳极电流全局对比图；图6c为本发明实施例中在Matlab/Simulink平台下搭建的测试电路本发明实施例仿真波形、原傅里叶级数模型仿真波形与实验实测数据在关断暂态阶段模型端电压对比图；图6d为本发明实施例中在Matlab/Simulink平台下搭建的测试电路本发明实施例仿真波形、原傅里叶级数模型仿真波形与实验实测数据在关断暂态阶段模型阳极电流对比图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。图1a为门极换流晶闸管GCT内部结构示意图。如图1所示，门极换流晶闸管GCT由5个区域及3个端子构成，5个区域从左至右依次为阳极P+射集区，N缓冲层，N基区，P基区，阴极N+射集区，三个端子为A、G、K，端子A为GCT阳极端子，与阳极P+射集区连接，端子G为门极端子，与P基区连接，端子K为阴极端子，与阴极N+射集区连接。图1b为门极换流晶闸管GCT内部载流子浓度和电流分布示意图，IA、IG、IK分别为阳极、门极、阴极电流，In1为流过PN结J1的电子电流，Ip1流过PN结J1的空穴电流，In2为流过PN结J2的电子电流，Ip2为流过PN结J2的空穴电流，In3为流过PN结J3的电子电流，Ip3为流过PN结J3的空穴电流，pH0为N缓冲层左侧边界处少子浓度，pHW为N缓冲层右侧边界处少子浓度、px1为N基区左侧边界处少子浓度，px2为N基区右侧边界处少子浓度，nb2为P基区左侧边界处少子浓度，nb1分别为P基区右侧边界处少子浓度。虚线表示PN结J2承压反偏时N基区和P基区载流子分布及N基区移动边界情况。图2所示为本发明门极换流晶闸管物理模型实施例建模过程。步骤S1，建立门极换流晶闸管物理模型中的N缓冲层、N基区及P基区子模型；步骤S2，根据步骤S1得到的各区域边界处载流子浓度，计算相邻模型内部PN结压降，联合N基区非耗尽区压降VCS及耗尽区压降VSC可得压降子模型输出电压VD，实现压降子模型的建立；步骤S3，将4个子模型构成完整的门极换流晶闸管物理模型。所建立的门极换流晶闸管物理模型以受控源的方式接入测试电路，实现模型与电路之间的电气关联；步骤S4，根据具体器件型号，设置本实施例中的门极换流晶闸管物理模型的关键工艺参数，便于进行电路仿真研究。如图3所示，本发明门极换流晶闸管物理模型共包含4个子模型，N基区子模型基于改进型傅里叶级数法、并考虑过剩载流子注入状态变化建立，P基区子模型采用双曲正弦法建立，N缓冲层子模型采用准静态法建立，承压子模型利用各区域子模型及相邻区域PN结压降构成。本发明门极换流晶闸管物理模型对外引出A、K、G三个电极与主电路及驱动电路连接。如图4所示，本发明门极换流晶闸管物理模型的实施例包含N缓冲层、N基区、P基区及承压等四个子模型，N缓冲层子模型和N基区子模型以阳极电流IA为电气输入量，P基区子模型以阳极电流IA及门极电流IG为电气输入量，通过N缓冲层子模型可得NN结J1的电子电流In1与空穴电流Ip1，P基区子模型可得PN结J2的电子电流In2与空穴电流Ip2，NN结J1的电子电流In1与空穴电流Ip1，以及PN结J2的电子电流In2与空穴电流Ip2为N基区子模型提供了两侧边界条件，并建立了N缓冲层、N基区、P基区间的关联，同时，将N缓冲层子模型得到的左侧边界浓度pH0、N基区子模型得到的左侧边界x1处空穴浓度px1与右侧边界x2处空穴浓度px2、P基区子模型得到的右侧边界浓度nb1共同为压降子模型的输入量，用于计算相邻区域PN结压降，联合N基区非耗尽区压降VCS及耗尽区压降VSC可得压降子模型输出电压VD。在仿真软件中用电流表采集主电路电流IA输入各子模型，同时接受自定义参数程序的输出作为本发明门极换流晶闸管物理模型各子模型的参数，由门极换流晶闸管物理模型的门极端子引入用电流表采集的驱动电流IG，实现对门极换流晶闸管物理模型工作状态的控制。门极换流晶闸管物理模型的压降子模型输出量VD作为受控源的输入控制信号，即4个子模型构成完整的门极换流晶闸管物理模型，最终以受控源的方式接入电路。门极换流晶闸管物理模型通过各端子电流输入及最终的电压输出建立了与仿真电路的电气关联。图5为本发明实施例中用于测试及验证模型正确性的感性负载门极换流晶闸管GCT测试电路示意图。其中，VD为直流电源取2000V，Li为限流电感取5.8μH，RS为吸收电阻取0.7Ω，CCL为箝位电容取18μF，DCL为箝位二极管，LCL为线路杂散电感取0.2μH，D1为集成门极换流晶闸管反并联二极管，Lload为感性负载取172μH，D2为负载续流二极管。直流电源VD的正极连接限流电感Li的左端和吸收电阻RS的左端，限流电感Li的右端连接箝位二极管DCL的阳极，吸收电阻RS的右端连接箝位二极管DCL的阴极和箝位电容CCL的上端，箝位电容CCL的下端连接VD的负极。GU为门极换流晶闸管集成驱动电路，由开通电路、维持电路及关断电路三部分组成，当门极换流晶闸管收到开通信号时，门极驱动开通电路进入工作状态；当门极换流晶闸管进入导通状态时，为确保门极换流晶闸管稳定导通，门极驱动维持电路进入工作状态而开通电路退出工作状态；当门极换流晶闸管收到关断信号时，门极驱动关断电路进入工作状态而维持电路退出工作状态，门极换流晶闸管关断后，关断电路仍处于工作状态，确保门极换流晶闸管可靠关断；当门极换流晶闸管再次收到开通信号时，门极驱动开通电路进入工作状态而关断电路退出工作状态。如此往复进行，实现集成驱动电路对门极换流晶闸管运行状态的控制。门极换流晶闸管物理模型阳极端子A连接线路杂散电感LCL的右端，门极换流晶闸管物理模型门极端子G连接门极换流晶闸管集成驱动电路GU上端接口，门极换流晶闸管物理模型阴极端子K连接门极换流晶闸管集成驱动电路GU下端接口及感性负载Lload的上端；通过A、G、K三个端子将门极换流晶闸管模型接入测试电路。表1门极换流晶闸管物理模型关键参数参数物理意义取值A/cm2有效面积25NBN/cm-3N基区掺杂浓度2.65e13NBP/cm-3P基区掺杂浓度3e16NH/cm-3N缓冲层掺杂浓度3e16WN/μmN基区宽度388WP/μmP基区宽度55WH/μmN缓冲层宽度8τH/μsN基区大注入时双极寿命2.2τp/μsN基区小注入时空穴寿命1.1τBHL/μsP基区电子寿命2.7τBF/μsN缓冲层空穴寿命1.0hn/A/cm2N+发射极复合系数4.0e-13表1为以ABB公司生产的5SHY35L4520型4500V/4000A-IGCT为例，门极换流晶闸管物理模型的关键参数。为验证模型正确性，采用ABB公司型号为5SHY35L4520型4500V/4000A-IGCT进行仿真与实验研究。本发明实施例选择Matlab/Simulink软件搭建门极换流晶闸管物理模型，各子模型均采用Simulink模块搭建，模型阳极电流IA及门极电流IG通过Simulink电流表模块采集并以信号量形式作为门极换流晶闸管物理模型的输入量；表1中的门极换流晶闸管物理模型的关键参数以m文件的形式实现，执行此m文件后，各关键参数即可作为门极换流晶闸管物理模型的输入量被调用。仿真采用Simulink物理建模模块Simscape中的SimElectronics子模块搭建测试电路，采用Simulink基本建模模块建立门极换流晶闸管模型的各子模型；仿真采用变步长的ode23t刚性算法，使仿真具备更好的收敛性和较快的仿真速度。本发明实施例仿真波形、原傅里叶级数模型仿真波形与实验实测数据对比结果如图6所示。通过图6可知，本发明的适用于电路仿真的门极换流晶闸管物理模型，可以实现门极换流晶闸管各种工作状态的模拟，且在门极换流晶闸管重要的关断暂态过程较现有傅里叶级数模型具备更高的精度。当前第1页1 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