用于大功率变流器的IGCT功能型模型

1、用于大功率变流器的IGCT功能型模型1绪论电力电子装置是电力电子学和其应用设备 的基础。再最近的 40年里，从SCR, GTO （门 关断晶闸管），IGBT （隔离门双极晶体管），电 力半导体经过了连续的发展。MCT （ MOSFET控制晶闸管）曾经被预测是电力电子装置在新世 纪的主要驱动力，因为其复杂的技术，低的生产 合格率和高成本已经被主要的企业放弃了。 MCT的流产，引起了高电压装置的一系列的竞 争，IGCT就是这个时期出现的。尽管它只是一 种初生的装置，但在高电压装置重已经起了很重 要的作用了，例如可调节的速度驱动，ASVG ,FACTS,等等装置。基于不同的仿真方法，产生了各种各样的

2、 IGCT的模型，例如功能模型，近似的解决方法， 数字解决方法，等等，其仿真的工具也不同，女口: SABER , PSPICE, SIMEN , PSIM 等。这篇文 章所描述的IGCT是在功能水平上的。我们把它 当作一个“黑箱”，描述其外部能够观察到的行 为，不细节性的考虑装置内部发生的物理上的影 响。这个模型在要求仿真速度和决定参数的可行 性上做了有效的折中，这样很适合仿真和装备 IGCT的变流器的计算机辅助设计。2机构和工作原理IGCT是集成门驱动电路和门换向晶闸管（GCT）的总称。以 4500V/2000A 的 IGCT 为例，25个N沟道MOSFET在阴极串联，7个P沟道 的MOSF

3、ET在门极起齐纳击穿的作用。等效图 见图1。JL?7 GTOMOStTiTK團1 TGCrS效站師賣简要的说，IGCT的开关装置和 GTO的相 同，但是关断装置很不一样。当IGCT开通时，N沟道MOSFET随着GCT同步开通。当IGCT关断，门极P沟道MOSFET首先开通，使部分 的主电路电流从阴极换向到门极。然后，阴极处的N沟道MOSFET关断，使整个电流通过门极。 这个传递大概需要 1秒完成。GCT的门极和阴 极间的PN极将反向阻断，有效的退出工作。使 得IGCT成为一个没有基极的晶体管， 关断一律 象晶体管一样没有任何的载波收缩效应。类似 GTO，IGCT的关断也有拖尾时期。3 IGCT

4、的结构3. 1开通和关断延迟的仿真在模型中有四个主要部分，开通和关断延迟 辅助电路，开通和关断的稳态辅助电路，开通仿真和关断仿真辅助电路。下面用5SHX08F4502型IGCT为例，阐述IGCT的GCTBU部分，二 极管部分没有被考虑。GCT的主要的参数在表1 中列出。*1 HX0BF45aaoJUflK. CanlK DaMe TumtT Currct/A62DMe工.Rising) Rate nrOn-Btae CSDO1剧SIfipff R 凶 itanof 4n口2Turnwm DsbIiirupi430中丸 TlJiwjiA10TufJUjJrDuljy TiOf/jiiFaU li

5、uiegSJO总的来说，通过在功能模型中的延迟和逻辑 电路的认识，IGCT的开通和关断时间是不变的。3. 2通断状态的仿真当IGCT再导通状态，端电压可以通过式(1)表示，在式中 VT0 1.80v, rT 2m 。在这个模型中都被忽略。Vt Vt0 i rT当IGCT在关断状态时，重复峰值电流低 于20mA ,通常被忽略为零。因此在两个稳态中, IGCT分别被仿真为零电压和零电流。然而理想 的开关，开关逻辑和被控电压，电流源被使用，以至于给导通和关断瞬态相同的重视。相关的辅助电路在图2( b)中阐述。图中，S1, S2, S3 都是理想开关。 VCVS是电压控制电压源，在 IGCT的导通状态

6、下输出是 0VO VCCS是电压控V EZt 1r*r端电压的值。Gon是一个延时门信号。 VP和VN制电流源，在关断状态下输出是0A O Gon是延时触发信号用于调节两个被控电源的相互活动 时间。VCVS和VCCS分别在开通和阻断状态中起作用。Vsen和I sen是来自于端电压和正电流传感器的信号。3. 3 开通时的仿真在这个模式下的开通和关断，能被独立的模 拟仿真。在开通期间，一个类似的电压用于控制 VCVS模拟IGCT的开通端电压，决定于延时门 信号和IGCT的电压传感器。辅助电路在图2( c)中给出。在图2 ( C)中，Vsen被给定IGCT导通时的孔Znuit rpnER- aoJ

7、cff-sLals ujuJaLoa是两个输入端，在这个两个之间压降通过ConSob-rwcui 1 of lion i o-Lin jimulatifin(d Siib4；lreui L of tuniu sjinukmuQffli iGCTfli型era当IGCT导通，即Gon=1，辅助电路等效于一个二阶电路，等效方程如2中给出。电容Con电压为状态参数。L呂 dt2ducRCcdtUcEon,(CdUcdt0)因此:这里UcAe t cos(Uc0J1D2DtB EonR2L1Vlc3. 5参数选择根据物理特性，表 1IGCT的参数和上面的 等效的描述，主要的参数在表 2中决定。通过比

8、较仿真和相关的测试， 在模型最终被建立前， 这 些参数被校正。4仿真和实验Darcta n(V1D1)(2)-式在 D/tr , D1的条件下,IGCT的导通动态过程可以被仿真。在这些条件下，即使当IGCT在稳态下，Con上电压为零。在校正过建立的IGCT的模型后，模型中的 任何一个参数都不需要，也不能被改变。作为一 个例子，模型被用于一个 IGCT的测试仿真中， 简图在图3中给出。这个电路相等于一个整流 桥，2, 3级为电压源逆变器。DUT （测试中的装置）有一个反向导通的 IGCT , 一个不对称的 IGCT或者一个IGCT二极管。这里是 5SHX08F4502型IGCT。电路的主要参数在

9、表 3 中列出。3. 4关断仿真在IGCT关断状态动态过程中，一个类似的 电压用于控制 VCCS控制关断IGCT的正向电 流，决定于门信号和正向电流传感器。辅助电路在图2 （d），比辅助开通动态电路复杂的多，由 于IGCT关断过程中的复杂的正向电流。测试电路的仿真图在图4中给出。Ls1 , Ls2在图2（ d）中，Isen被给定IGCT在关断时的正向电流的值。Goff是一个门延时信号。IP和IN是两个输入端，在这个两个之间压降通过Coff 。当IGCT关断，即Goff =1，这个辅助电路可以被两个二阶方程。基于合理的参数选择，当IGCT在关端稳态，Coff的电压衰减到零在关端和保持为零的两个正

10、弦部分。DaaipiiaViHurunt-oa DtlavTuuffliu5!Tum-o belay TniE.|u55kail TarBpa4.DCa|KLlcf Rir riWioia9.LaafocilrriT Tii min ji-a If SitKlKniiLji Fg.LRflOFturin Tmiirywn SutHcimibMf0.1hductw in Tirniiiiwi SutKiiciiifuTT0.01aInduehq-l0.151 Jithiciurl inTuIf 创 bcLojLpJ 1010ksliD ef llfl恤 D liaitSDUtV/Vj1/15Ks

11、Uli DiQjrtAL Scnaor.lVA)1/15Halw dLJRaliDDfCO-YA)15【GCT模型i要#Tflb. Thfi inflia pArmeten tCCT modelliuJPQnmotn诵】IIQS54DSH10.7J!冲2心叩12.ni4700K如IQD% 3测燈电路裁T&h JParamcliBri of teit d ncuiit和Ls3是电路的寄生电感。Ls1 （ 120nH）是嵌位电容Ccl的寄生电感。Ls2是Rs的寄生电感，为lOONh。Ls3是换向回路的寄生电感，为了对应于特殊的测试，被放大到6.4UH。在相对低电压和小电流测试中，Ls3的影响被单独的考虑。IGCT关断时的端电压和正向电流在图5( a) (b)中给出，分别与仿真和实验结果相对应。构，灵活的参数选择，快速的计算和辅助电路的 实现形式，适合仿真和装备IGCT的变流器的计 算机辅助设计。我们很明显可IGCT 的电压和电流很S4 ICCT m电跻仿真电ffi5 结论通过仿真和实验结果的比较， 以看