本发明专利技术提供了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，建模方法包括高压IGBT开关暂态模型和反并联二极管反向恢复模型建立方法。本发明专利技术基于机理推导、电气等效、器件手册数据分析、数学拟合等方法，用压控电流源、可变电容等电路元件以及自定义编程模块算法可在PSCAD、SIMULINK、SABER等电路仿真平台建立模型。和现有技术相比，本发明专利技术提供的适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型，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。因此，本发明专利技术对于研究高压IGBT模块在柔性直流输电领域的损耗分析、控制保护策略有一定的促进作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力电子技术仿真领域，具体涉及一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法。
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(STATCON)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，KuangSheng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。因此，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，建立可模拟高压IGBT模块电压电流尖峰、拖尾电流、米勒平台、二极管反向恢复等开关暂态特性的适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型显得尤为重要。
技术实现思路
为了满足现有技术的需要，针对
技术介绍
中所述的机理模型和行为模型存在的不足，本专利技术提出了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法。一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立高压IGBT暂态等效模型；步骤2：建立反并联二极管反向恢复模型；步骤3：根据步骤1和步骤2所得到的IGBT暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者按照高压IGBT模块电路结构连接，修改及增加相应参数和模块，从而建立适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型。步骤1中，高压IGBT暂态等效模型包括MOSFET-BJT等效模块、拖尾电流等效模块、寄生电容等效模块，具体对上述三种等效模块进行建模如下：（1）MOSFET-BJT等效模块：IGBT导通时，内部有两个电流通路：1）电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结构。２）空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构。IGBT工作于不同状态时，流过MOSFET电流表达式为：（1）采用电气等效简化，基于电路仿真要求，可根据BJT的特性近似得到如下关系：（2）由此，MOSFET-BJT等效模块可采用压控电流源来模拟IGBT模块的通态电流Ic，其解析表达式如下：（3）其中，等效跨导K=（1+β）Kp；Vge为栅射极电压；VT为IGBT导通门槛电压；Vce为IGBT集射极电压；Kp为MOSFET跨导；β为BJT电流增益；Imos为流过MOSFET电流；Ic为流过IGBT电流即集电极电流；（2）拖尾电流等效模块：在IGBT关断暂态过程中，由于IGBT存在BJT，基区大量过剩载流子复合需要时间，使得关断电流会有较长的拖尾时间。（4）其中τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；t0为拖尾电流起始时间；关断过程中当Vge小于阈值电压时开始拖尾，此时集电极电流为拖尾起始电流Itail0。将所述式（4）添加至所述式（3）中，即得完整的MOSFET-BJT等效模块。（3）寄生电容等效模块：在数据手册中，输入电容Cies、输出电容Coes和反馈电容Cres是应用中常用的参数。它们与极间电容的关系如下：（5）利用所述式（5）结合器件手册数据，得到相应极间寄生电容值，从而完成寄生电容等效模块。步骤2中，反并联二极管反向恢复模型采用宏模型的思路，结合二极管反向恢复特性，基于器件数据手册，建立相应等效模型。所述模型相关参数如式（6）所示。（6）其中，τre为反向恢复衰减时间常数；R和L为自由量，根据电路仿真要求及实际器件情况，可取L＝100nH，则R根据式（6）取相应值即可；Irm为反向恢复峰值电流；dIf/dt为反向恢复电流斜率；trr为反向恢复时间；Qrr为反向恢复电荷量，Kre为反向恢复比例系数。步骤3中，将步骤1和2中两个等效模型，按照高压IGBT模块电路结构连接，由电路结构模块和自定义控制参数模块组成完整高压IGBT模块开关暂态模型电路。高压IGBT模块的电路结构模块，其特征在于，封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与主电路连接，其内部结构由各极间寄生电容、杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT等效压控电流源和二极管反向恢复等效电路组成。用软件模块采集相应电压电流值输入给模型自定义参数模块，同时接受自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电压电流的控制。所述电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。自定义参数模块，其特征在于，主要包括寄生电容参数模块、MOSFET-BJT等效电流源模块以及二极管反向恢复等效电流源模块。该模块接受电路结构模块以及开关暂态模型相关参数，根据所述建模方法，自定义编程模块，输出相应参数给电路结构模块。与最接近的现有技术相比，本专利技术的优异效果是：1、针对高压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，提出了一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法。2、本专利技术由机理推导，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；避免了复杂的物理方程，参数显著减少且容易提取，根据器件数据手册即可确定；模型参数易调整，适用于不同IGBT及高压应用场合。3、本专利技术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。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1是：本专利技术提供的一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型电路图；图2是：本专利技术实施例中（a）MOSFET-BJT等效模块、(b)二极管反向等效模块、(c)极间寄生电容等效模块在PSCAD/EMTDC平台下的实现电路图；图3是：本专利技术实施例中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4是：本专利技术实施例中在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本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立高压IGBT暂态等效模型；步骤2：建立反并联二极管反向恢复模型；步骤3：根据步骤1和步骤2所得到的IGBT暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者按照高压IGBT模块电路结构连接，修改及增加相应参数和模块，从而建立适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型。
【技术特征摘要】
1.一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：建立高压IGBT暂态等效模型；
步骤2：建立反并联二极管反向恢复模型；
步骤3：根据步骤1和步骤2所得到的IGBT暂态模型和二极管反向恢复模型，将两者按照高压IGBT模块电路结构连接，修改及增加相应参数和模块，从而建立适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型。
2.如权利要求1所述一种适用于电路仿真的高压IGBT模块开关暂态模型建立方法，其特征在于，所述步骤1中，高压IGBT暂态等效模型包括MOSFET-BJT等效模块、拖尾电流等效模块、寄生电容等效模块，具体对上述三种等效模块进行建模如下：
（1）MOSFET-BJT等效模块：
IGBT导通时，内部有两个电流通路：1）电子流动产生的电流通路In，对应于MOSFET结构；
２）空穴流动产生的电流通路Ip，对应于BJT结构；
IGBT工作于不同状态时，流过MOSFET电流表达式为：
（1）
采用电气等效简化，基于电路仿真要求，可根据BJT的特性近似得到如下关系：
（2）
由此，MOSFET-BJT等效模块可采用压控电流源来模拟IGBT模块的通态电流Ic，其解析表达式如下：
（3）
其中，等效跨导K=（1+β）Kp；Vge为栅射极电压；VT为IGBT导通门槛电压；Vce为IGBT集射极电压；Kp为MOSFET跨导；β为BJT电流增益；Imos为流过MOSFET电流；Ic为流过IGBT电流即集电极电流；
（2）拖尾电流等效模块：
在IGBT关断暂态过程中，由于IGBT存在BJT，基区大量过剩载流子复合需要时间，使得关断电流会有较长的拖尾时间；
（4）
其中τ为少数载流子寿命即拖尾时间常数；t0为拖尾电流起始时间；关断过程中当Vge小于阈值电压时开始拖尾，此时集电极电流为拖尾起始电流Itail0；
将所述式（4）添加至所述式（3）中，即得完整的MOSFET-BJT等效模块；
（3）寄生电容等效模块：
在数据手册中，输入电容Cies、输出电...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐延明，许建中，赵成勇，刘启建，徐莹，宋方方，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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