压电流的控制。电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。 [002引图2为自定义参数模块，主要包括M0S阳T-BJT等效电流源模块、二极管反向恢复 电流源等效模块W及寄生电容参数模块。自定义参数模块接受电路结构模块W及开关暂态 模型相关参数，根据所述建模方法，自定义编程模块，输出相应参数给电路结构模块。
[0027] 图2 (a)为MOSWT-BJT等效电流源模块，其中模块输入为导通口槛电压^^^、栅 射极电压??、集射极电压??、集电极电流/。、仿真时间及相关控制参数等，而输出为 M0SFET-BJT等效压控电流源的电流值女M,。通过内部按照所述步骤1内容自定义编程实 现，模拟M0S阳T与BJT的特性。
[002引图2 (b)为二极管反向恢复电流源等效模块，其中模块输入为二极管电流么、仿真 时间?、反向恢复电流峰值马。、反向恢复电流斜率扣/等反向恢复参数，而输出为二极管反 向恢复等效电流源的电流值屯。通过内部按照所述步骤2内容自定义编程实现，模拟二极 管的反向恢复特性。
[002引图2 (C)为极间寄生电容模块，其中模块输入为集射极电压??、仿真时间片而模 块输出为输入电容G。,、输出电容G。,、反馈电容G。,。通过器件手册电容特性曲线自定义编 程实现，再按照所述步骤3转化成极间寄生电容G。、和G。。
[0030] 图3用二极管巧位的阻感性负载电路作为高压IGBT模块开关暂态模型测试电路。 其中，续流二极管用IGBT模块代替，成为栅极外部电阻取6Ω，ZZ为感性负载取50地，化为 负载电阻取2. 2Ω，外部电压{^为IkV。
[0031] 表1 IGBT模块开关暂态模型关键参数
表1为菱公司生产的CM450D化-34SA型1.化V/450A-IGBT功率模块为例，IGBT模 块开关暂态模型的关键参数。
[0032] 两路栅极驱动信号&，和&述过输出+15V与0V来分别控制IGBT1模块和IGBT2 模块的工作状态。测试电路中直定为0V，即IGBT1保持关断，只起续流二极管作用。通 过控制&端出电压+15V与0V先导通IGBT2模块，对负载电感ZZ充电，将电路电流升至 450A，再关断IGBT2模块得到IGBT2模块的关断电流和电压暂态波形，负载电感通过IGBT1 模块中二极管续流，再开通IGBT2模块得到相应的开通电压电流暂态波形来测试模型稳态 和暂态特性，PSCAD和SABER的仿真波形对比结果如图4所示。
[0033] 为进一步验证模型正确性，采用IGBT型号为SGH40N60,续流二极管的型号为 HFA25TB60,根据相应型号器件手册，提取并修改相关仿真参数，仿真波形与实验实测数据 对比结果如图5所不。
[0034] 通过PSCAD仿真波形与SAB邸仿真波形W及实验实测数据对比，本发明提出的适 用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型不仅能够实验高压IGBT的各种工作状态，而 且可w模拟电流电压尖峰、米勒平台、拖尾电流、二极管反向恢复电流等开关暂态特性。
[0035] 最后应当说明的是；所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实 施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
【主权项】
1. 一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于：所述方 法包括以下步骤： 步骤1 :建立高压IGBT暂态等效模型； 步骤2 :建立反并联二极管反向恢复模型； 步骤3 :根据步骤1和步骤2所得到的IGBT暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者 按照高压IGBT模块电路结构连接，修改及增加相应参数和模块，从而建立适用于电路仿真 的高压IGBT模块开关暂态模型。2. 如权利要求1所述一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其 特征在于，所述步骤1中，高压IGBT暂态等效模型包括MOSFET-BJT等效模块、拖尾电流等 效模块、寄生电容等效模块，具体对上述三种等效模块进行建模如下： (1) MOSFET-BJT 等效模块： IGBT导通时，内部有两个电流通路：1)电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结 构； 2 )空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构； IGBT工作于不同状态时，流过MOSFET电流表达式为：采用电气等效简化，基于电路仿真要求，可根据BJT的特性近似得到如下关系：由此，MOSFET-BJT等效模块可采用压控电流源来模拟IGBT模块的通态电流Ic，其解析 表达式如下：其中，等效跨导后（1+β )心??为栅射极电压；匕为IGBT导通门槛电压；L为IGBT 集射极电压；A为MOSFET跨导；，为BJT电流增益；为流过MOSFET电流；/e为流过IGBT 电流即集电极电流； (2) 拖尾电流等效模块： 在IGBT关断暂态过程中，由于IGBT存在BJT，基区大量过剩载流子复合需要时间，使得 关断电流会有较长的拖尾时间；其中τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；?〇为拖尾电流起始时间；关断过程中当I 小于阈值电压时开始拖尾，此时集电极电流为拖尾起始电流/?3^; 将所述式（4)添加至所述式（3)中，即得完整的MOSFET-BJT等效模块； (3) 寄生电容等效t旲块： 在数据手册中，输入电容^、输出电容和反馈电容I是应用中常用的参数； 它们与极间电容的关系如下：利用所述式（5)结合器件手册数据，得到相应极间寄生电容值，从而完成寄生电容等效 模块。3.如权利要求1所述一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其 特征在于，所述步骤2中，反并联二极管反向恢复模型采用宏模型的思路，结合二极管反向 恢复特性，基于器件数据手册，建立相应等效模型； 所述模型相关参数如式（6)所示； ^ s 1* 其中，τ μ为反向恢复衰减时间常数；辟P Z为自由量，根据电路仿真要求及实际器件 情况，可取L = ΙΟΟηΗ，则对艮据式（6)取相应值即可；/"为反向恢复峰值电流；dl f/dt为反 向恢复电流斜率；t为反向恢复时间；仏r为反向恢复电荷量，4为反向恢复比例系数。4. 如权利要求1所述一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其 特征在于，所述步骤3中，将所述步骤1和2中两个等效模型，按照高压IGBT模块电路结构 连接，由电路结构模块和定义控制参数模块组成完整高压IGBT模块开关暂态模型电路。5. 如权利要求4所述高压IGBT模块的电路结构模块，其特征在于，封装后的IGBT电路 结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电 阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT等效压控电流源和二极管反向恢复等效电路组成。6. 如权利要求4所述高压IGBT模块开关暂态模型电路，其特征在于，用软件模块采 集相应电压电流值输入给模型自定义参数模块，同时接受自定义参数模块的输出作为压控 电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电压电流的控 制； 所述电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。7. 如权利要求5所述模型自定义参数模块，其特征在于，主要包括寄生电容参数模块、 MOSFET-BJT等效电流源模块以及二极管反向恢复等效电流源模块； 该模块接受电路结构模块以及开关暂态模型相关参数，根据权利要求2所述建模方 法，自定义编程模块，输出相应参数给电路结构模块。
【专利摘要】本发明提供了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，建模方法包括高压IGBT开关暂态模型和反并联二极管反向恢复模型建立方法。本发明基于机理推导、电气等效、器件手册数据分析、数学拟合等方法，用压控电流源、可变电容等电路元件以及自定义编程模块算法可在PSCAD、SIMULINK、SABER等电路仿真平台建立模型。和现有技术相比，本发明提供的适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型，不仅可以实现电路仿真中IGBT模块各种运行状态，而且可以在纳秒级仿真步长下模拟高压IGBT模块的电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性。因此，本发明对于研究高压IGBT模块在柔性直流输电领域的损耗分析、控制保护策略有一定的促进作用。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105631083
【申请号】CN201510028028
【发明人】徐延明, 许建中, 赵成勇, 刘启建, 徐莹, 宋方方
【申请人】华北电力大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年3月20日