[发明专利]一种基于IGBT器件瞬态物理过程的分段折线建模方法

说明书

本发明公开了一种电力半导体器件IGBT在硬开关工作模式下瞬态物理过程的分段折线建模方法，其特征在于基于典型IGBT内部结构及其瞬态物理过程，在一定的简化假设条件下，用分段函数描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c，和栅极电压v_ge。建模所有参数可从IGBT的数据手册(datasheet)获取。本发明还提供了一种IGBT分段折线建模在仿真电路中的应用方法，其特征在于，使用IGBT的折线建模描述整个换流回路的特性，不需要对与IGBT换流的续流二极管进行建模。本发明提供的分段折线建模参数提取方便，能够较准确地反映器件关键瞬态特性，适用于电路仿真应用。

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种基于IGBT器件瞬态物理过程的分段折线建模方法。

背景技术

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是目前电力电子建模中应用最广泛的主动开关器件，因此对IGBT的建模进行了大量研究。从器件应用者的角度，目前的IGBT建模主要分为两大类：机理建模和行为建模。机理建模主要是利用半导体物理学的知识，基于IGBT内部结构和载流子的运动过程来建立的，可以准确地仿真IGBT的稳态和瞬态特性。经典的机理建模有Hefner建模，Kuang Sheng建模和Kraus建模等等。机理建模虽然精确，但结构复杂，参数提取困难，计算量大不易收敛，不适用于复杂的电路仿真。行为建模忽略一些IGBT内部物理机理，更注重拟合器件的外特性，可以用于电路仿真，比理想开关建模的仿真得到的结果更精确。相比于机理建模，行为建模结构简单，但准确性不高，对不同工况的适应性较差。行为建模参数提取方法复杂，需要从实验结果中提取参数。

发明内容

针对常规IGBT行为建模瞬态特性不够精确，且建模参数提取依赖实验结果的问题，本发明提出一种适用于电路仿真的IGBT在硬开关工作模式下的分段折线建模。其特征在于，基于典型IGBT内部结构(平面栅NPT型)及其瞬态物理过程，在一定的简化假设条件下，用分段函数描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c，和栅极电压v_ge。建模能够反映器件关键的瞬态特性，并且建模的所有参数可全部从datasheet获取。所述的用于描述IGBT开通和关断过程中的集射极电压v_ce、集电极电流i_c和栅极电压v_ge的分段函数通过以下步骤来确定：

1)确定IGBT开通和关断瞬态过程的各个阶段。

从驱动发出开通指令到开通稳态之前，将开通瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从驱动发出开通指令到i_c开始上升，第二阶段为i_c从0上升到最大值，第三阶段为i_c从最大值恢复到负载电流，第四阶段为结束时v_ce下降到稳态饱和电压。

从驱动发出关断指令到关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从驱动发出关断指令到v_ce开始上升，第二阶段为v_ce从稳态饱和电压上升到直流母线电压值，第三阶段为i_c从负载电流下降到拖尾电流起始值，第四阶段为结束时i_c下降到0。

2)根据IGBT瞬态物理过程和一定的简化假设条件，计算上述四个阶段中集射极电压v_ce、集电极电流i_c和栅极电压v_ge的起始值和终止值，以及各个阶段的持续时间，据此将各阶段内的电压电流确定为线性函数形式或指数函数形式。

本发明还提供一种IGBT分段折线建模在仿真电路中的应用方法，其特征在于，使用IGBT的折线建模描述整个换流回路的特性，不需要对与IGBT换流的续流二极管进行建模，包括以下步骤：