IGCT载流子寿命分布特性及参数提取方法研究

集成门极换流晶闸管(IGCT)物理模型中载流子寿命与器件动静态特性有着密切联系。现有基于器件关断拖尾电流的载流子寿命参数提取方法,假设关断拖尾电流的衰减主要取决于基区载流子的复合而忽略了阳极电子电流的影响,但IGCT采用透明阳极结构增强了关断时阳极电子的抽离,因此将该方法应用于IGCT存在不足。本文基于掺杂浓度依赖的载流子寿命模型和肖克莱-里德-霍尔(SRH)复合模型,分析了不同区域下载流子寿命的耦合关系;当透明阳极厚度远小于少子扩散长度,将透明阳极侧PN结等效为短二极管,分析了其少数载流子和电流分布特性,并由此提出载流子寿命参数提取的改进方法。最后,根据载流子等效寿命随外加电压变化的特性,实验提取了不同区域下的载流子寿命参数,通过器件双脉冲仿真及实验结果对比验证了参数提取结果的有效性。     

功率器件集成门极换流晶闸管关断特性研究

为深入研究IGCT的关断特性，该文基于实验结果，建立了IGCT关断过程中，流过IGCT电流的波形的数学模型，在此基础上进而提出用微分方程研究电路中IGCT关断特性的方法。为验证该方法的有效性，以建立的IGCT关断过程电流波形数学模型为基础。该文建立基于斩波电路的IGCT关断暂态特性的数学模型。该模型充分考虑IGCT阻容吸收回路、线路杂散电感及限流电抗器对IGCT关断暂态过电压的影响。数值仿真及试验结果表明，该模型能够较好地反映IGCT关断过程中的暂态特性。     

IGCT关断暂态温度特性及其电热模型

集成门极换流晶闸管(IGCT)广泛应用于高压大功率电力电子装置中,受到环境温度变化和器件自热等影响,其开关特性发生显著改变。本文针对不同温度下的器件开关特性开展了测试实验,利用分阶段解析建模的方法分析了影响器件关断存储、基区承压以及拖尾电流三个阶段的关键温度依赖参数。分析结果表明关断存储阶段主要受到载流子寿命和射极复合系数的影响,但射极复合系数相对于载流子寿命对电流拖尾过程的影响随温度变化更为显著。在此基础上由所得关键参数建立了IGCT温度依赖模型,利用封装传热阻容子电路网络建立了器件的结壳传热模型。最后,基于该模型对IGCT关断暂态过程进行了电热仿真分析,通过仿真波形与实测波形的比较验证了该模型的准确性以及关键温变参数的影响。     

基于漂移扩散模型方程的IGCT电路模型

现有基于双极扩散方程(ADE)的功率半导体器件模型只能准确描述准中性区载流子分布,应用于高压器件建模时精度有限。提出一种基于漂移扩散模型(DDM)的集成门极换流晶闸管(IGCT)电路模型的建模方法以提高模型精度。通过分析发现,求解变量数量级相差较大,以及由高掺杂浓度决定的特征参数是影响模型特性的主要因素。由此,通过边界高掺杂区域的解析建模、简化基区求解的边界条件以及应用移动网格法求解DDM提高了模型的稳定性和计算速度。最后,IGCT双脉冲测试仿真与实验对比结果表明在仿真耗时接近的前提下,该方法相对于现有基于ADE模型可以更好地仿真器件在关断振荡以及穿通时的特性。     

IGCT驱动关断电路及续流回路参数提取

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)关断暂态时,其电流迅速由阴极换向到门极,且IGCT反并联二极管因承受正向偏压而导通,故IGCT关断暂态特性受其门极驱动关断电路及其反并联二极管运行特性影响。基于IGCT关断暂态换流机制及反并联二极管的工作原理,提出IGCT关断暂态时门极换流晶闸管(gate commutated thyristor,GCT)、驱动电路与反并联二极管所构成续流回路的等效电路,详细分析反并联二极管不同工况时等效电路结构及其运行特性的变化。结合IGCT关断暂态其端电压及等效电路各支路电流的实验结果,给出IGCT驱动关断电路及续流回路参数的提取方法。通过不同箝位电压与关断电流时实验结果与理论分析的对比,并考虑参数提取结果的一致性,充分证明等效电路与理论分析的正确性及参数提取方法的有效性。     

基于RC阻容吸收的串联IGCT动态均压研究

为了研究串联IGCT关断时暂态特性,建立了串联IGCT的关断电流数学模型,该模型考虑了所串联的同一型号半导体开关器件物理特性存在的细微差异。基于此模型,提出了用微分方程研究串联IGCT电路关断的均压特性的思路。为验证该思路的有效性,建立了基于串联IGCT斩波电路的关断暂态模型,该模型充分考虑了IGCT阻容吸收回路、线路杂散电感对IGCT关断暂态过电压的影响。数值仿真及试验结果表明,该模型能较好地反映串联IGCT关断的均压情况。     

基于广义状态空间平均的独立电力系统建模方法

针对由各类电力电子装置构成的独立电力系统应用日趋普及的现状,为对不同运行工况下独立电力系统进行描述,提出一种基于广义状态空间平均的独立电力系统建模方法。通过将独立电力系统时变非线性微分方程状态变量用傅里叶系数描述,得到独立电力系统的广义状态空间平均模型;依据独立电力系统的不同运行工况,分析其不同时间尺度的动态特性,并通过傅里叶系数的增减实现微电网的广义状态空间平均模型化简。该建模方法能甄别独立电力系统的运行工况及动态特性,在系统分析和设计中可代替时域模型,在稳态时可简化为状态空间平均模型。仿真结果表明该模型具有良好的精度和快速的分析能力,适用于独立电力系统的稳态、暂态分析领域。     

一种快速准确的大功率IGBT建模方法EI北大核心CSCD

高压大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的准确建模对IGBT应用中的损耗计算、机理分析、骚扰特性预测有重要意义。基区载流子分布计算是IGBT建模的核心内容,对于计及不同注入条件下大功率IGBT载流子分布计算,现有模型存在计算量大或精度低等缺点。文中首先研究大功率IGBT工作过程中基区载流子的分布特性,然后,以准静态和非准静态条件下基区载流子分布的差异性为突破口提出一种快速、准确、适用于大功率IGBT的建模方法。依据器件内基区耗尽层的边界是处于栅极区域附近还是越过栅极区域,该方法将IGBT工作状态分为两部分,并分别基于准静态假设和非准静态假设对两部分建模。由此可在不失精度的情况下避免载流子二维分布计算,有效地减小在计及不同注入条件下的计算量。最后,通过与现有方法和试验对比,验证所提方法在精度和计算速度方面的优势。     

5 kA/4.5 kV IGCT器件特性研究

集成门极换流晶闸管(IGCT)因其功率容量大、通态压降低及浪涌电流大等优势在冶金传动、船舶驱动、直流输电等领域具有巨大的应用潜力。通过优化P基区掺杂分布、使用质子辐照及配套新型门驱等关键技术增强了IGCT门极载流子抽取效率,研制出了一款直径为91 mm的5kA/4.5kV IGCT。此处研究了该器件的阻断、通态及关断特性,采用Silvaco TCAD仿真与试验测试方法分析证实了门极载流子抽出增强技术(CEET)提升了IGCT器件的安全工作区,并通过地面斩波及逆变应用验证了器件的可靠性。     

基于物理的IGCT电路模型参数提取方法

随着集成门极换流晶闸管(IGCT)在大功率电力电子装置的大范围推广,相应的高精度仿真研究必不可少,IGCT模型特别是具有较高精度的基于物理的IGCT电路仿真模型将发挥更加重要的作用。本文充分考虑了IGCT结构特点及其运行特性对参数提取的影响,结合理论分析、实验提取、实物测量及经验估算,在已有参数提取方法的基础上,提出了一种适用于基于改进型傅里叶级数法的IGCT电路模型的参数提取方法。搭建了具备感性负载的箝位电路测试平台,用于参数提取及提取方法验证,将采用本文方法提取的模型参数用于上述IGCT电路模型,进行电路仿真分析,所得IGCT模型仿真结果与实验结果高度拟合,验证了本文参数提取方法的正确性。     

考虑谐波特性的简化TCSC动态相量法模型

对TCSC进行精确、快速仿真和有效控制，使用基于时变傅里叶级数的动态相量法进行建模。为提高模型精度在推导过程中考虑了电容电压的谐波特性，同时有效解决了动态相量法本身固有的状态空间方程阶数随着计及频率成分增加而迅速增长的问题，使得TCSC的动态特性最终由一个两阶的状态空间方程描述。仿真结果表明，该模型在整个容性工作区域都有较高的精度，即使在接近谐振点的区域，误差也低于1%。通过与时域模型的比较，验证了所提出模型的精确性、有效性和快速性。     

IGCT的原理性电学模型与动态特性仿真

集成门极换向晶闸管(IGCT)因具有开关速度快、损耗低、容量大、导通管压降低等优越性能而正逐渐广泛地应用于中压大功率领域,但国内外仿真软件中尚无IGCT的器件仿真模型。为此根据IGCT的结构特点、工作原理、额定参数以及外总电学特性,应用两个Hu-Ki模型并联的优化模型及ORCAD建立了IGCT的原理性电学模型,给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的动态特性仿真与分析,给出了开通、关断电压和电流波形,关断功率脉冲波形,门极关断电压和电流波形。仿真结果显示仿真的IGCT器件关断时间2μs,关断能量约0.1J,关断时门极反向电流峰值25A,表现出明显的反向抽取作用,与实测波形保持了很好的一致性。该模型意义明确、描述准确、结构简单、仿真速度较快,且有一定的通用性,可用于IGCT器件与简单系统的仿真研究,为IGCT的选择应用、器件匹配与保护电路的设计提供研究手段与设计参考。     

固态限流器中大功率IGCT并联关断保护电路

集成门极换流晶闸管（integrated gate commutated thyristor,IGCT）具有大电流导通损耗低和关断过程快速均匀可靠等特性,在固态限流器（solid state fault current limiter,SSFCL）应用中具有综合优势。为此,针对固态限流器中并联运行的大功率IGCT,通过构建器件的集总电荷仿真模型对其关断过程进行了仿真分析,并结合试验验证深入研究了RC阻容缓冲和压敏电阻保护对并联IGCT关断特性的影响。大电流关断研究结果表明：RC缓冲能进一步缓解并联IGCT关断过程中的电流拥挤现象,降低拖尾电流下降率,减轻器件动态雪崩击穿的剧烈程度;在固态限流器中回路电感和关断电流均比较大的条件下,增加RC缓冲能大幅提高并联器件的关断可靠性。该研究成果可以为并联IGCT有效保护方案的设计提供参考。     

VSC-HVDC系统的动态相量法建模仿真分析

运用一种新的建模方法——基于时变傅里叶级数的动态相量法对基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）系统进行建模分析。在系统开关函数模型的基础上,该方法通过忽略系统动态方程中状态变量所对应的时变傅里叶级数中那些不重要的高次项而对原系统进行简化,从而得到系统的动态相量模型及其方程。结果表明,动态相量法模型仿真相当于详细时域模型仿真结果的包络线,而且可以极大地减少系统的仿真时间,可以作为电磁暂态和机电暂态模型的接口,应用于电力系统的混合仿真。     

一种基于集总电荷的大功率PIN二极管改进电路模型

提出了一种基于集总电荷建模方法的大功率PIN二极管改进电路模型。传统的集总电荷模型使用有效载流子寿命模型,未考虑载流子寿命和基区电荷浓度之间的关系,导致模型的仿真精度偏低。该文在研究传统PIN二极管集总电荷模型的基础上,首先分析了二极管基区载流子寿命随注入浓度和温度的变化规律,并提出了载流子寿命随浓度和温度变化的集总电荷模型。然后,基于提出的载流子寿命模型建立了改进的PIN二极管集总电荷电路模型,并加入模型物理参数的温度函数,实现了模型对不同温度下PIN二极管通态和瞬态特性的表征,并在PSPICE仿真平台中实现了该模型。最后,用1 700 V/1 000 A IGBT模块中反并联续流二极管对模型进行了实验,仿真和实验结果对比验证了该模型的准确性。     

不对称运行条件下VSC-HVDC动态相量建模

为了提高仿真精度和减少计算量,采用动态相量法,针对不对称运行条件下的基于电压源型换流器的直流输电系统(VSC-HVDC)进行建模。动态相量法基于时变傅立叶级数,所建模型为近似时不变的大信号模型。该模型比准稳态模型精确,同时与详细电磁暂态模型相比,能够显著提高计算效率。使用动态相量模型对不对称条件下的VSC-HVDC响应特性进行了仿真,并与电磁暂态程序的计算结果对比表明,此模型是精确有效的。     

基于IGBT开关暂态过程建模的功率变流器电磁干扰频谱估计

开关器件在开通和关断暂态过程产生的高电压和电流变化（dv/dt和di/dt）是高频电磁干扰的主要来源.提出一种基于IGBT开关暂态过程建模优化的电磁干扰频谱估计方法,建立了IGBT行为特性模型,分阶段研究了IGBT开通和关断的动态过程,用分段线性化方法模拟电压和电流的暂态波形,将非线性的开通和关断特征用多段dv/dt和di/dt组合描述.文中提出的方法提高了电磁干扰预测频谱在高频段的准确度,实验结果验证了方法的正确性.     

针对高压IGBT的改进瞬态模型

为准确表征绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的物理特性,在典型IGBT开关瞬态模型的基础上提出一种改进的高压IGBT瞬态模型。首先基于半导体物理理论,对典型IGBT开关瞬态的建模过程进行了简要分析和推导,并在此基础上针对高压IGBT的宽基区结构特点,考虑基区载流子复合过程对IGBT开关瞬态的影响,建立了一种改进的高压IGBT瞬态模型。最后将建立的模型在Saber仿真软件中实现,并在25℃和125℃工况下进行了双脉冲仿真,以一种3 300 V/1 200 A IGBT模块为例搭建测试电路,对改进的瞬态模型进行实验验证。实验结果表明：提出的改进模型将25℃下IGBT关断时间的误差由26.5%降低至1.5%,关断损耗的误差由60.93%降低至8.92%;该模型将125℃下IGBT关断时间的误差由14.5%降低到4%,关断损耗的误差由61.68%降低到11.35%。研究结果为IGBT的应用设计提供了更为准确的仿真模型。     

基于统一离散时域建模法的晶闸管串联运行暂态仿真

现有晶闸管仿真模型虽能较准确地模拟单只晶闸管开通和关断的动态过程,却较少涉及多只器件的串并联仿真。文中在分析晶闸管开关过程中动态特性的基础上,利用统一离散时域建模法建立了包含开关动态过程的晶闸管数学模型。由于该模型采用时变电阻来描述晶闸管工作过程中电压、电流的变化关系,因此适用于晶闸管串联电路的暂态仿真分析。仿真和实验结果表明所建立的晶闸管数学模型可较为准确地描述串联运行的晶闸管开关过程中电压的动态分配,从而为需晶闸管串联运行的大型电力电子装置的动静态均压电路设计提供了依据。     

统一潮流控制器的动态相量建模与仿真

为适应系统快速、精确仿真和分析、控制的需要，运用一种新的建模方法——基于时变傅里叶级数的动态相量法对统一潮流控制器(UPFC)进行建模和仿真。该方法通过忽略系统状态变量所对应的傅里叶级数中那些不重要的项而对原系统进行简化，并且可以有效地将系统中的连续事件和离散开关事件结合起来。在建模过程中可以根据研究需要提取出UPFC暂态模型中的直流分量和需要考虑的各次交流谐波分量。通过与详细时域模型仿真计算结果的比较，证明了UPFC的动态相量模型是精确而有效的，并且可以大大节省计算时间。