可嵌入式晶闸管暂态建模研究

2017-02-02黄允灿

船电技术 2017年12期

高强，黄允灿

可嵌入式晶闸管暂态建模研究

高强，黄允灿

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064）

基于文献研究明确了影响晶闸管反向恢复特性的参数因素和作用机理；在此基础上，通过工程简化，推导了适于建模使用的晶闸管反向恢复过程的数学模型；基于所得数学模型和对通用晶闸管模型的二次开发，建立了一种既能够准确的定型反映晶闸管反向恢复暂态特性，又便于嵌入整流桥模型仿真使用的晶闸管仿真模型。

功率晶闸管反向恢复过程可嵌入式建模

0 引言

晶闸管关断时的反向恢复特性与回路电感一起会带来关断过电压，严重时甚至会引起晶闸管过压击穿，在工程设计中必须给予充分的考虑。

由于晶闸管反向恢复的强非线性，解析分析十分困难，构建准确的晶闸管暂态模型进行计算机仿真是主要的研究手段[1]。目前虽然对晶闸管关断暂态建模的研究较多，但是能够形成便于嵌入到整流桥模型中仿真使用的器件模型的研究却很少。

本文在大量文献研究的基础上，明确了影响晶闸管反向恢复过程的参数因素和作用机理，结合工程实际，推导了适于工程建模的反向恢复过程的数学模型；基于Matlab软件平台，使用所推导的反向恢复数学模型，通过对通用的晶闸管模型进行二次开发，建立了一种既能够反映晶闸管反向恢复暂态特性，又便于嵌入整流电路仿真使用的晶闸管仿真模型。实验对比显示，所建立的晶闸管仿真模型可以真实、准确的反映晶闸管的暂态恢复特性，为装置级暂态仿真研究提供了有效的研究手段。

1 晶闸管管段暂态分析

晶闸管具有低掺杂、大注入的基区[2-4]。导通时，晶闸管基区注入大量载流子，关断时，需要通过迁移、扩散、复合等方式使载流子浓度降低，在pn节上重新建立耗尽层，才能恢复阻断能力，进入关断态。关断时，这种需要逐渐降低载流子浓度以恢复阻断能力的特性被称为晶闸管的反向恢复特性。

由于反向恢复特性的存在，晶闸管在关断时远非理想开关。下面将对晶闸管的关断过程进行详细的分析。

使用图1所示的电路来考察晶闸管关断过程。在=0-时刻，即关断开始前一瞬间，假设开关S位于位置“1”，晶闸管电流为I。在=0时刻，开关S打向位置“2”，将反向电压施加到晶闸管两端。图2.a给出了之后晶闸管的电压电流波形，图2.b描述了晶闸管内部载流子移除的过程。

图1 反压关断分析电路

（a）

（b）

图2 晶闸管关断过程示意：（a）关断过程晶闸管端电压、端电流变化曲线；（b）关断过程晶闸管内部载流子移除过程

2）阶段2（=1~2）：基区过量的载流子使晶闸管在电流过零后仍保持导通，此时，在反压V的作用下，晶闸管电流继续以V/的斜率开始负相增大，直至2时刻，J3结过量载流子浓度降至0，J3结开始恢复电压阻断能力，晶闸管将开始承受反压[4-5]。

3）阶段3（=2~3）：在t2时刻，J3结开始恢复电压阻断能力，晶闸管开始承受反压。电流下降率减小为(V-V)/。其中，V为晶闸管管压降，此阶段V近似等于J3结的压降。

5）阶段5（=4~5）：在t4时刻，pn节J1结的过量载流子浓度降至0， J1结开始恢复电压阻断能力，晶闸管管压降V迅速增大到V。当V上升到电源电压V时（5时刻），电流变化率降到0，反向恢复电流达到最大值I。

6）阶段6（=5~6）：反向恢复电流开始迅速衰减，直至晶闸管完全关断。此阶段，反向恢复电流减小时正向的d/d会在电感上感应出一个正向的瞬态电压Δ，这个电压与电源反压V一起施加在晶闸管两端，将导致晶闸管出现关断过电压。

以上便是晶闸管关断以及产生关断过电压的详细的物理过程。

2 晶闸管反向恢复电流的数学模型

由上分析可知，晶闸管关断时承受的反压有两部分组成：一部分是电路固有加载的反向电压V，一部分是反向恢复电流正向衰减时在电路电感上感应出的电压Δ。在工作电路确定的情况下，V和回路电感是确定的，晶闸管关断过电压的大小实际将由反向恢复电流的变化决定，因此，建模的核心在于对反向恢复电流的变化进行准确的建模描述。

文献[5-8]研究指出，在J1结、J3结恢复阻断能力，承压进入反置状态后，晶闸管等效为一个基极悬浮的pnp晶体管，此后晶闸管晶闸管电流的衰减将主要受晶闸管本身基极复合过程的控制，外电路对其影响很小。晶闸管物理模型的研究证明，在反向恢复电流达到峰值后，晶闸管电流将按照指数模型衰减[4-6]，也即，设在t时刻反向恢复电流达到峰值-，则此后晶闸管反向恢复电流的正向衰减过程可表示为：

推导过程中使用了两个假设：

1）忽略J3结的存在（一般功率晶闸管J3结的雪崩击穿电压在20 V的水平，反压实际上都是由低掺杂的J1结承担，因此忽略J3结是不失准确的）；

2）假设在晶闸管电流从零下降到反向峰值-的时间内，电源电压保持恒定，电流是以近似恒定的d/d下降，这个假设在整流器重载运行，换相重叠角较大时是非常适用的。

图3 衰减时间常数τ的求取

在如上假设下，反向恢复电流的波形可以简化为图3所示。首先按照固定的d/d线性下降至反向峰值-，之后开始指数衰减。

转折时间t和反向峰值-之间的关系为：

假定电流的反向恢复时间为t（器件生产商一般都将t定义为连接反向恢复电流峰值点和-0.25点的直线与时间轴的交点，即图3中所示的B点），则反向恢复电荷Q等于：

设反向恢复电流按指数函数衰减到-0.25时的时间为1（如图3所示），则可得下列关系式：

将式（3）、（4）两边进行取对数得：

将式（3）代入式（5）得：

将式（1）、（2）代入式（6）得到：

3 基于Matlab平台的建模实现

Matlab软件自带的电力系统工具箱内已经内置了晶闸管模块，但该模块对关断做了理想假设，电流只是衰减到零，不包括反向恢复过程。为了保证工程实用，所建的仿真模型可以与软件本身良好的兼容，本文在Matlab内置晶闸管模块的基础上进行了二次开发，使用第二节所示的反向恢复电流数学模型搭建反向恢复控制模块来增加对反向恢复特性的描述，反向控制模块和软件自带模块一并封装后即得到具有良好可嵌入性的带反向恢复特性的晶闸管仿真模型。

3.1 模型参数提取

以ABB公司生产的5STP06D2800晶闸管为例建模，器件手册提供了晶闸管反向恢复电流峰值I和反向恢复存储电荷Q的实验测试曲线。此处，仅选择在最恶劣的情况，节温110℃的情况下提取数据进行仿真。

使用四次多项式拟合实验曲线，得到产品手册所给出的I和Q的上限和下限的表达式为：

使用上可以计算出在任意d/d下与器件本身物理特性相符的I和Q的值，因而，在电路电压、电感改变，关断d/d变化时也可以对晶闸管的反向恢复特性进行刻画，这样既定型的反映了器件的半导体特性，又可以动态的反映器件工作回路参数的变化，满足嵌入电路仿真的要求。

3.2 封装建模

对软件自带晶闸管模块进行二次开发，使用电流源产生反向恢复电流注入软件自带的晶闸管模块，使其具有反向恢复特性。模型封装如图4所示，主要由软件自带的晶闸管模块（在此模块中可设置通态压降，导通门槛电压，通态电阻等稳态和基本开通特性参数），反向恢复参数计算模块（Subsystem1），参数锁存模块（Subsystem2）和反向恢复电流模型模块（Subsystem3）组成。

图4 带反向恢复过程的晶闸管模型封装

图5 Subsystem1模块内部组成

图6 Subsystem3模块内部组成

将如上功能模块与软件自带晶闸管模块一并封装，即得到可定型反映晶闸管反向恢复特性，同时又可嵌入整流电路仿真使用的晶闸管模型。

4 试验验证

图7 仿真电路

图8(a)、8(b)分别为I和Q使用了器件手册最小值拟合曲线和最大值拟合曲线时的仿真波形，图8.c为相应工况下的实验实测波形。从图8可以发现，反向恢复阶段，仿真波形和实测波形所反映的电压电流变化趋势是完全一致的，这说明本章所建模型正确了反映了晶闸管关断时的反向恢复过程。同时，使用最大值曲线时仿真过电压将比最小值曲线时更大，使用更大的I和Q进行仿真时，所得关断过电压有增大的趋势。

（a）

（b）

（c）

图8 实验与仿真对比（AC980 V，DC950 V，工作电流3000 A）：（a）最小值曲线仿真，（b）最大值曲线仿真，（c）实验测试

从数据上来说：图8a、b、c，反向恢复电流峰值分别为196 A、261 A、225 A，过电压峰值分别为1050 V、1152 V、1107 V，仿真与实验数据之间基本吻合，这说明本文所作出的简化假设和所推导的简化模型对器件暂态的刻画是足够准确的。

5 总结

晶闸管并不是理想开关，关断时其固有的反向恢复特性会在回路电感感生暂态电压叠加在晶闸管两端，降低晶闸管电压安全裕量，在工程设计中必须给予充分考虑。基于此，详细地分析了影响晶闸管反向恢复过程的参数因素和作用机理，从工程实用角度，推导了适于建模的反向恢复数学模型，并进行了建模实现。模型参数均可以方便的从器件厂家提供的器件手册中得到，在保证定型刻画晶闸管反向恢复特性的基础上，也保证了模型的可实现性，可以直接嵌入到整流电路中进行装置级暂态仿真，为装置级暂态仿真研究提供了有效的研究手段。

[1] Getreu I E．Modeling the Bipolar Transistor．New York: Elseveir, 1978．

[2] B．Jayant Baliga．Modern Power Devices[M]．New York：Wiley, 1987．

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[4] Danielsson B E．Studies of tum-off effects in power semiconductor devices[J]．Solid-State Electronics, 1985, 28(4): 375-391．

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[6] Schuster K, Spenke E．The voltage step at the switching of alloyed pin rectifiers[J]．Solid-state Electronics, 1965, 8: 881-882．

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[8] Benda H, Hoffmann A, Spenke E．Switching processes in alloyed pin rectifiers[J]．Solid-State Electronics, 1965, 8: 887-906．

Study on Embeddable Simulation Modeling of Power Thyristor

GAOQiang，HUANGYuncan

(Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China)

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