电力电子开关器件仿真模型比较

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）
Modeling of Power Electronic Devices
Zhang Wei-lin, Zhang Bo, Qiu Dong-yuan, Chu Li-li
(College of Electric Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China)
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: There is always a difficulty in modeling of power electronic devices, with the validity and accuracy as its judgment. This paper reviews generic modeling approaches and simulations of some power electronic devices, including power diode, GTO, thyristor, MOSFET and IGBT. Their basic principles are described and their merits and limitations are remarked, which provides a basis for analysis of power electronic devices.
Key words: power diode, GTO, thyristor, MOSFET, IGBT, simulation model
1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
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
+
⋅
⋅
+
⋅
=
S
T
S I
I
U
n
R
I
U1
ln（1）
式中U为PN结两端的外加电压；I为流过PN
结的电流；
S
R代表半导体体电阻和引线接触电
阻；
s
I为反向饱和电流；n为非理想化因子，其
值与I有关，
T
U是温度的电压当量。

SPICE二
极管模型由图1表示，电容
1
C代表二极管的非线
性电容效应，
D
i和
D
u代表PN结的伏安特性（
1D T
u nU D S i I e ⎛⎫
=- ⎪ ⎪⎝⎭
）。

图1 SPICE 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 ）。

（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()D on u ，导
通后一段直线的斜率为1/D R ，D R 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 ）。

(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
D
i -
D
u
(on
D u -
+-
V
U on D 7.0)(
=
)
(on D D
i u +
-
)
(on u D D
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Q1管的基极使其导通，该管放大后的集电极电流流入Q2管的基极，如此循环，产生强烈的正反馈过程，造成两个晶体管的饱和导通，使晶闸管由阻断迅速转为导通状态。

（2）晶闸管开关模型[2]
图5 晶闸管开关模型
如图5，1S 受触发脉冲控制，1W 受电压ak U 控制。

在正向阻断下，电压达到重复工作正向电压时1W 闭合，为触发导通作准备，触发脉冲使1W 闭合晶闸管导通，呈现通态电阻f R 。

2W 受阳极电流A i 控制，在触发脉冲宽度内，如A i 达到擎住电流2W 闭合，使触发脉冲消失后仍然继续导通。

运行中如A i 值小于维持电流时2W 打开，晶闸管进入阻断状态呈现反向电阻r R 。

晶闸管端压ak U 过零时1W 打开，晶闸管恢复正向阻断状态。

（3）晶闸管宏模型[3]
图6 晶闸管宏模型
正向特性：1E 为电压控制电压源。

当晶闸管导通时，其值为0；当晶闸管关断时，其值随晶
闸管的外加电压AK V 变化。

当晶闸管正向导通时，用二极管on D 描述晶闸管的非线性特性。

L R 用来反映晶闸管断态时的漏电流。

晶闸管的门极触发特性则通过G D 和GD V 来模拟。

控制块具有两大功能：一是反映晶闸管的门极触发效应；二是反映晶闸管的正、反向击穿效应。

晶闸管双三极管模型在上世纪80年代初由Hu －ki 提出，有着比较简单的概括物理过程的优点，模拟方法简单，适用于精度要求不太高的场合。

但这种模型有个模型参数提取的过程，要求的原始数据较多，过程也比较复杂，仿真运行时间长。

开关模型是从器件的外部特性出发，设计出一个具有晶闸管开关特性的集总参数电路，虽然
只反映了晶闸管的“开”、“关”特性，但仍不失其工程使用价值。

而且模型中所用器件一般仿真软件中都有，具有可通用性。

晶闸管宏模型是一种新型的模型，它加入了
一个反向恢复控制块，对反向恢复过程中存储电荷的抽取及复合过程进行开通与关断控制，从而可以很好地对晶闸管的反向恢复过程进行仿真。

其物理概念明确，结构简单，且其模型参数可以直接从厂家提供的手册得到，使用方便。

3门极可关断晶闸管（GTO ）模型
门极可关断晶闸管（GTO ）是介于SCR 和GTR 之间的一种过渡器件，目前在大功率的斩波器、逆变器的应用中，GTO 受到很大的重视，并且已经商品化。

在使用GTO 的高压、大电流的功率变流装置中，GTO 器件工作的好坏直接影响到整个装置的正常运行。

（1）GTO 开关模型[2]
2
图7 GTO 开关模型主电路
由于GTO 的关断增益不高，因而对关断脉冲的要求较高。

如果认为GTO 的正向触发导通过程与SCR 相似，而反向关断也允许看成理想脉冲控制。

其中2S 是在0=G u 时闭合，G u 为负的额定值时打开。

（2）GTO 宏模型[4]
（a ）主模型
（b ）开通模型
（c ）关断模型 图8 GTO 宏模型
图8(a)为GTO 宏模型，在GTO 开通过程中，
2D 、1T 、2T 和3T 始终处于阻断状态，模型简化
为开通模型图8（b ）。

图8（b ）中，1C 和3C 的初始电压为0。

当V +接入电路后，V +经g L 开始对1C 充电；由于E V 的存在，D 仍然处于断态，()30u C =，因此AK 之间无阳极电流通过，3
C 上电压保持为零的时间可以看作是GTO 的开通
延迟时间d t 。

当1C 两端的电压充到E V 时D 开始导通，于是V +开始同时对1C 和3C 充电，()3u C 逐步增加，流过AK 的阳极电流也随之增加，这段V +向3C 充电的时间可以看作是GTO 的阳极电流上升时间r t 。

在关断过程中，1D 和2D 始终处于阻断状态，因此可以简化得到GTO 的关断模型图8（c ）。

关断过程开始时，2D 处于通态，1T 、2T 、3T 处于断态，2C 的初始电压为0，3C 的初始电压为大于0的某个值，由被关断的阳极电流决定。

当V -接入电路后，开始对2C 反向充电，其充入的电荷量模拟从门极抽取的关断电荷。

在GTO 满足关断条件前，可控开关1T 保持截止，3C 维持正压不变，因此阳极电流也维持不变。

在此用V -、g L 和
2C 来模仿GTO 门极的存储电荷的抽取过程，门
极电流负向增长。

这段时间可以看作是GTO 的存储时间s t 。

s t 的大小与门极存储电荷、门极反向电流峰值以及门极关断电流上升率三个参数有关。

在模型中，()
22C C V 反映了门极抽去的电荷
量，g L 中的电流g
L i 即为门极负电流。

而g L 上的压降()
/g g L di dt 与门极电流的上升率成正比。

在仿真过程中，对V -、g
L i 及g
L V 进行监测和计算，当门极满足关断条件时，1T 开通，s t 结束。

1T 开通后，一方面门极反向电流开始下降；另一方面，
3C 开始通过R 和L 放电，()3u C 开始下降，因
此阳极电流也开始下降，这段时间可以看作是
GTO 的下降时间f t 。

阳极电流下降到通态电流的10％后，1T 关断，2T 和3T 开通，3C 沿2R 放电，L 沿R 和3T 释放能量。

这段时间可以看作是GTO 的尾部时间t t 。

开关模型是把GTO 看作是理想控制开关，认为它只有通态和断态两种状态，这种模型适合于仿真包括器件本身在内的整个系统的动态特
性，但其缺点是对器件开通和关断的瞬态特性反映得不够。

宏模型从另外一个角度出发，运用电阻、电容、二极管和晶体管等元器件构造GTO 外部特性的等效模型，这类模型的构造相对来说要简单些，应用起来也比较直观和方便，但精确性不高。

4半导体场效应晶体管（MOSFET ）模型
K
2
w
随着电力电子技术进一步向高频的大功率用电领域发展，金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOSFET ）以其结构简单、制造成本低、功耗小的特点，在各种电力半导体器件中的重要地位日益显著，使用功率MOSFET 的电力电子电路日益增多。

（1）基于表面势的典型模型[5]
基于表面势的MOSFET 模型几乎是和MOS 器件同时出现的。

在1966年，H. C. Pao 和T. C. Sah 提出了著名的Pao-Sah 双积分模型： ⎰
⎰+--=ds sb sb
S
f cb
f V V V cb cb V ox ds
dV d V F e C L
W
s I φφφφφφφγ
μ)
,,(1)
2(……（2） 其中sb V 为源端沟道电势,ds sb V V +为漏端沟道电势,S φ为表面电势。

这可以说是第一个被广泛引用的整体模型。

它和实测结果的一致性得到公认,成了验证其它模型正确与否的标准。

但是由于P-S 模型需要进行数值积分,计算量较大,在电路模拟中没有得到应用。

（2）仿真软件中常用的几种MOS 模型[6]
MOS1模型，是一个以器件物理为基础的，适用于长沟道、均掺杂器件，因其模型方程简单，易于电路设计者理解，所以现在有时候仍然用于手算和电路的初步模拟。

MOS2模型，包含了一些小尺寸器件的二级效应，但对于亚微米器件来说仍然是一个不准确的模型。

MOS3模型，引入了很多经验参数来来模拟短沟道效应，但其准确性仍不能让电路设计者完全满意。

MOS1、MOS2和MOS3模型都不能很准确地模拟短沟道和窄沟道效应，而且由于发展这些器件模型时对短沟道器件物理的理解程度的限制，也没有适当考虑高（电）场效应。

BSIM1模型是一个为1m μMOSFET 技术而发展的模型，包含很多对短沟道效应的更好理解，对沟道长度大于或者等于1m μ的器件的模拟结果非常准确。

但是其参数却是大多数设计者不喜欢的没有物理意义的适应参数。

BSIM2模型以BSIM1模型为基础在很多方面进行了改进，如模型的连续性、输出电导、亚
阀值电流等。

但是，BSIM2模型仍然不能用一组参数来模拟很大尺寸范围的器件，而且，拥着些参数进行静态模拟和把这些参数从现有的技术外推到以后的技术都非常困难。

BSIM3模型考虑了很多器件尺寸和工艺变化效应，短沟道、窄沟道效应和高（电）场效应都能很好地模拟。

BSIM3模型也发展了很多版本，其中以BSIM3v3模型应用最为广泛，自从1996年BSIM3v3被Comvact Model Council 选为第一个MOSFET 模型的标准以来，已经为半导体工业界接受并成为MOSFET 的标准模型，从而成为世界上第一个，也是唯一一个被广泛接受的器件模型工业标准。

于2000年发布的BSIM4模型也是一个工业标准器件模型，包含了在0.18m μ器件中遇到的最具有代表性的几种重要的短沟道效应。

以上面的模型为基础，模型的选取必须兼顾准确性和计算率，需要根据电路的实际情况来选取合适的模型。

5绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）模型
自80年代绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）问世以来，它的仿真模型的建立一直受到人们的广泛关注。

Hefner 和Kraus 是其中对模型特性描述比较全面、具有代表性的两类模型。

（1）Hefner 的IGBT 模型[7]
图9 Hefner 的IGBT 模型
IGBT 由衬底到发射极是一个PNP 晶体管，其基极到集电极由一个MOSFET 控制的沟道，只要形成沟道，就向PNP 晶体管提供基极电流，PNP 晶体管的发射极成比例发射空穴，形成IGBT 集电极电流。

可见，栅－发射极电压越高，沟道越
宽，基极电流越大，输出电流也越大。

因此，IGBT 可等效为一个场效应晶体管和一个PNP 晶体管组成的达林顿管。

（2）IGBT 宏模型[8]
图10 IGBT 宏模型
该模型的核心是受控电流源CE I ，其控制关系由PNP 晶体管和MOSFET 共同决定。

作为一个拟达林顿电路的末级，PNP 管从不进人饱和区，因此，IGBT 导通时集射极间的电压降为在PN 结上的二极管压降和加在驱动MOSFET 上的电压降之和。

由于IGBT 导通时PNP 管不进人饱和区，根据MOSFET 的特性，可得IGBT 在3个不同的工作状态下，CE I 的模型公式和各状态的工作条件如下：
（1）截止区：T GE V V ≤ 且1-≤T GC V V ，则
0=CE I ；
（2）饱和区：T GE V V ≥且1-≥T GC V V ，则
()()121-⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡--
-=CE
CE T GE P CE V V V V K I ；
（3）放大区：T GE V V ≥ 且1-≤T GC V V ，则
()22T GE P CE V V K I -⎪⎭
⎫ ⎝⎛=；
其中T V 为IGBT 阀值电压，P K 为跨导参数。

模型中的GE C 、GC C 、CE C 分别模拟IGBT 的栅射间、栅集间、集射间的电容；而OFF R 用来模拟IGBT 的截止电流。

Henfer 模型是具有代表性的IGBT 模型，它对IGBT 的物理特性描述清楚，且所使用元件简单，便于理解，之后在此基础上又出现了改进模型。

IGBT 宏模型建模过程简便，概念清楚，模型参数提取容易。

利用该模型仿真所得特性曲线与IGBT 的实际特性比较吻合，说明了所建模型的正确性。

当然，由于在建模过程中，对IGBT 的实际特性和参数作了某些简化处理，或进行了假设，使某些特性，如温度变化对IGBT 特性的影响，无法利用该模型进行仿真分析。

6 结论
本文对各种主流电力电子器件的仿真模型作了一个较为全面的介绍，给出了各种模型的仿真原理，并对每种器件的不同模型做了比较和说明，为进一步的研究工作打下基础。

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