电力电子开关器件仿真模型比较

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。
2.1 SPICE中二极管模型
SPICE的二极管模型由下式建立
(1)
式中，U为PN结两端的外加电压；I为流过PN结的电流；Rs代表半导体体电阻和引线接触电阻；Is为反向饱和电流；n为非理想化因子，其值与I有关，UT是温度的电压当量。SPICE二极管模型由图1表示，电容C1代表二极管的非线性电容效应，iD和μD。代表PN结的伏安特性( )。
2.2 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)。
2.3 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μD(on)，导通后一段直线的斜率为1/RD，RD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)。
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。
3 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。
3.1 晶闸管的双三极管模型
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，则有电流从门极流人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人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。
3.2 晶闸管开关模型[2]
如图5，S1受触发脉冲控制，W1受电压Uak控制。在正向阻断下，电压达到重复工作正向电压时W1闭合，为触发导通作准备，触发脉冲使W1闭合晶闸管导通，呈现通态电阻Rf。W2受阳极电流iA控制，在触发脉冲宽度内，如iA达到擎住电流W2闭合，使触发脉冲消失后仍然继续导通。运行中如iA值小于维持电流时W2打开，晶闸管进入阻断状态呈现反向电阻Rr。晶闸管端压Uak过零时W1打开，晶闸管恢复正向阻断状态。
3.3 晶闸管宏模型[3]
正向特性：E1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VAK变化。当晶闸管正向导通时，用二极管Don描述晶闸管的非线性特性。RL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DG和VGD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。
4 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。
4.1 GTO开关模型[2]
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S2是在μG=0时闭合，μG为负的额定值时打开。
4.2 GTO宏模型[4]
图8(a)为GTO宏模型，在GTO开通过程中，D2、T1、T2和T3始终处于阻断状态，模型简化为开通模型图8(b)。图8(b)中，C1和C3的初始电压为0。当V 接入电路后，V 经Lg开始对C1充电；由于VE的存在，D仍然处于断态，μ(C3)=0，因此AK之间无阳极电流通过，C3上电压保持为零的时间可以看作是GTO的开通延迟时间td。当C1两端的电压充到VE时D开始导通，于是V 开始同时对C1和C3充电，μ(C3)逐步增加，流过AK的阳极电流也随之增加，这段V 向C3充电的时间可以看作是GTO的阳极电流上升时间tr。
在关断过程中，D1和D2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，D2处于通态，T1、T2、T3处于断态，C2的初始电压为0，C3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C2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T1保持截止，C3维持正压不变，因此阳极电流也维持不变。在此用V-、Lg和C2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ts。ts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，(C2VC2)反映了门极抽去的电荷量，Lg中的电流Lg即为门极负电流。而Lg上的压降Lg(dig/dt)与门极电流的上升率成正比。在仿真过程中，对V-、iLg及VLg进行监测和计算，当门极满足关断条件时，T1开通，ts结束。T1开通后，一方面门极反向电流开始下降；另一方面，C3开始通过R和L放电，μ(C3)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tf。阳极电流下降到通态电流的10％后，T1关断，T2和T3开通，C3沿R2放电，L沿R和T3释放能量。这段时间可以看作是GTO的尾部时间tt。
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。