IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法技术

本发明专利技术涉及一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法，所述参数获取方法包括：绘制IGBT曲线Vce-Vge；根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；绘制寄生电容特性曲线；根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数。本发明专利技术提供的技术方案避免了求解复杂半导体物理方程或者设计参数提取实验，无需获取器件底层材料参数；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。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及电力电子仿真领域，更具体涉及一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法。
技术介绍
：绝缘栅双极性晶体管集合了功率MOSFET与双极型器件的双重优点，具有输入阻抗高、耐高压、承受电流容量大、开关速度快等特性，受到了越来越多的关注和研究。在当前电力电子
，高压IGBT与二极管构成开关模块已经广泛应用于各种电压源型电力电子变换装置中，如电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)、静止无功补偿器(STATCOM)等，对于其开关暂态过程的研究及建模越来越重要。因此，建立精确且实用的IGBT模块开关暂态模型，对变换器的安全可靠运行和电气性能优化具有重要的指导意义。目前，在电力电子器件的建模研究中，主要采用机理模型和行为模型两大类。机理模型是利用半导体物理学知识对载流子的电学行为进行简化得到解析表达式进而求解物理方程。其典型代表有：Hefner模型，Kuang Sheng模型和Kraus模型。机理模型的参数获取对于缺少器件物理知识的用户来说非常困难，且模型含有复杂的半导体物理方程，计算量大，仿真时间长，存在计算收敛等问题。行为模型相对仿真速度比较快，但是只考虑器件外特性，物理概念不清楚，参数不易调整，模型通用性相对较差。采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速度以及IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响，避免求解复杂的半导体物理方程，基于器件手册数据，提取暂态模型的关键参数，建 立可模拟IGBT模块电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等暂态特性的IGBT模块开关暂态模型显得尤为重要。专利
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法，可作为对于IGBT模块开关暂态特性研究的基础手段，可作为基于可关断器件的在柔性直流、灵活交流输电领域的可关断器件选型设计、损耗分析、驱动与控制保护系统研发的依据。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，包括：绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；绘制寄生电容特性曲线；根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数。本专利技术提供的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，在所述步骤：绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线前还包括：绘制IGBT通态电流Ic-集射极电压Vce输出特性曲线。本专利技术提供的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，在所述输出特性曲线的饱和区内的同一Vce下，绘制所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线的斜率和截距确定。本专利技术提供的另一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，在所述输出特性曲线的线性区的同一Vce下，绘制通态电流Ic/集射极电压Vce与栅射极电压Vge曲线；所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述通态电流Ic/集射极电压Vce与栅射极电压Vge曲线的斜率和截距确定。本专利技术提供的再一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述寄生电容特性曲线根据输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres与极间电容的关系和输入电容Cies、输出电容Coes、反馈电容Cres随Vce变化的曲线确定。本专利技术提供的又一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述寄生电容特性曲线根据IGBT栅极充电特性曲线确定。本专利技术提供的又一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述拖尾时间常数为所述拖尾时间/4。本专利技术提供的又一优选的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，所述参数还包括拖尾电流起始值、栅极内阻参数和二极管反向恢复模型参数；所述栅极内阻参数为0-20欧。本专利技术提供的一种IGBT模块开关暂态模型建立方法，根据所述参数获取方法建立模型。本专利技术提供的一种模型建立方法，其所述模型包括IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型；将所述IGBT开关暂态模型和二极管反向恢复模型按照IGBT模块电路连接，添加电路结构模块和控制参数模块，从而建立IGBT模块开关暂态模型。和最接近的现有技术比，本专利技术提供技术方案具有以下优异效果1、本专利技术提供的技术方案针对IGBT模块应用场合，基于现有模型研究， 采用机理推导、电气等效、曲线拟合等方法，综合考虑模型准确度和仿真速度的模型建立方法；2、本专利技术提供的技术方案避免了求解复杂半导体物理方程或者设计参数提取实验，也无需获取器件底层材料参数；3、本专利技术提供的技术方案物理概念清晰，将IGBT的暂态特性与二极管的反向恢复特性相互影响综合考虑，结果真实可靠；4、本专利技术提供的技术方案参数显著减少且容易提取，易调整，适用于不同IGBT及高压应用场合；5、本专利技术提供的技术方案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。附图说明图1为本专利技术技术方案提供的IGBT模块开关暂态模型电路图；图2为本专利技术技术方案提供的MOSFET-BJT模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图3为本专利技术技术方案提供的二极管模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图4为本专利技术技术方案提供的寄生电容模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图5为本专利技术技术方案提供的CM450DXL-34SA型IGBT功率模块等效跨导及阈值电压提取曲线图；图6为本专利技术技术方案提供的CM450DXL-34SA型IGBT功率模块寄生电容参数提取曲线；图7为本专利技术技术方案提供的CM450DXL-34SA型IGBT功率模块充电特性曲线；图8为本专利技术技术方案提供的用于测试及验证模型正确性的二极管箝位的阻感性负载IGBT模块测试电路；图9为本专利技术技术方案提供的在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路与SABER仿真软件下搭建的测试电路仿真波形对比图；图10为本专利技术技术方案提供的在PSCAD/EMTDC平台下搭建的测试电路仿真波形与实验实测数据对比图。具体实施方式下面结合实施例对专利技术作进一步的详细说明。实施例1：本例的专利技术的技术方案提供了一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法及模型建立方法；所述获取方法涉及的参数主要包括等效跨导K和导通阈值电压VT、寄生电容参数、拖尾电流起始值Itail0和时间常数τ、栅极内阻参数以及二极管反向恢复模型参数，具体对上述参数提取如下：1)等效跨导K及阈值电压VT参数由式(3)知， I c = ( 1 + β ) I mos = 0 , V ge 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：包括：绘制IGBT集射极电压Vce‑栅射极电压Vge曲线；根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；绘制寄生电容特性曲线；根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数。

【技术特征摘要】
1.一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：包括：绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；根据所述曲线确定等效跨导K和阈值电压VT；绘制寄生电容特性曲线；根据寄生电容特性曲线确定所述输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres；确定IGBT关断过程的拖尾时间，并通过所述拖尾时间确定拖尾时间常数。2.如权利要求1所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：在所述步骤：绘制IGBT集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线前还包括：绘制IGBT通态电流Ic-集射极电压Vce输出特性曲线。3.如权利要求2所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：在所述输出特性曲线的饱和区内的同一Vce下，绘制所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线；所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述集射极电压Vce-栅射极电压Vge曲线的斜率和截距确定。4.如权利要求2所述的一种IGBT模块开关暂态模型参数获取方法，其特征在于：在所述输出特性曲线的线性区的同一Vce下，绘制通态电流Ic/集射极电压Vce与栅射极电压Vge曲线；所述等效跨导K和阈值电压VT分别通过所述通态电流Ic/集射极电压Vce与栅射...

【专利技术属性】
技术研发人员：周飞，陆振纲，于弘洋，潘冰，荆平，蔡林海，袁海燕，徐延明，赵成勇，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国网山东省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11