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1、 现代电力电子技术现代电力电子技术 湖南大学 电气与信息工程学院第第2章章 电力电子器件的建模电力电子器件的建模 2.1 2.1 电力电子器件综述电力电子器件综述2.2 2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述2.3 2.3 功率二极管模型的建立功率二极管模型的建立2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立 2.5 MOSFET2.5 MOSFET、IGBTIGBT模型的建立模型的建立2.1 2.1 电力电子器件综述电力电子器件综述u集成化：多单元胞管并联，即一个器件是由许多子器件所集成。u高频化：工作频率已从数千赫到兆赫，标志着电力电子技术已进人高频化时代。u全控
2、化：电力电子器件实现全控化，避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫换流电路。u低功耗：新材料、新技术在电力电子器件中的应用，如CoolMos、SiC等的应用。一、当前电力电子器件特点：一、当前电力电子器件特点：2.1 2.1 电力电子器件综述电力电子器件综述二、电力电子器件类型：二、电力电子器件类型：1 按照控制方式分类按照控制方式分类u 电流控制型电力电子器件电流控制型电力电子器件 控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。 电力晶体管及其模块电力晶体管及其模块(GTR) (GTR) 适应于适应于500 kW500
3、kW以下、以下、380V380V交流供电的领域；交流供电的领域； 晶闸管类晶闸管类(SCR, GTO)(SCR, GTO)，这类器件适用于电压更高、电流更大的应用领，这类器件适用于电压更高、电流更大的应用领域。域。u 电压控制型电力电子器件电压控制型电力电子器件 电压控制型器件都是用场控原理对其通断状态进行控制的。输入阻电压控制型器件都是用场控原理对其通断状态进行控制的。输入阻抗很高，所以控制功率小，控制电路比较简单。电压控制型器件的工抗很高，所以控制功率小，控制电路比较简单。电压控制型器件的工作温度高，抗辐射能力也强。作温度高，抗辐射能力也强。 MOSFET MOSFET 适应于中小功率应用
4、领域；适应于中小功率应用领域； MOSMOS控制型复合器件控制型复合器件 IGBTIGBT、MCTMCT、IGCTIGCT等等 适应于中大功率应用领域。适应于中大功率应用领域。 2.1 2.1 电力电子器件综述电力电子器件综述2 2 按照导电载流子的不同分类按照导电载流子的不同分类u双极型器件双极型器件 ：功率硅整流二极管、电力晶体管：功率硅整流二极管、电力晶体管(GTR)(GTR)、IGBTIGBT、IGCTIGCT、MCMCT T和各类晶闸管都是两个、三个或更多和各类晶闸管都是两个、三个或更多PNPN结组成的电力电子器件，为双极结组成的电力电子器件，为双极型器件。型器件。在器件体内有电子和
5、空穴两种载流子导电，存在复合过程；在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，存在复合过程；具有电导调制效应，使其导通压降低；具有电导调制效应，使其导通压降低；u单极型器件单极型器件 MOSFET MOSFET 在器件体内只有电子或空穴一种载流子导电，不存在复合过程，开关在器件体内只有电子或空穴一种载流子导电，不存在复合过程，开关损耗低；损耗低； 不具有电导调制效应，使其导通压升高；不具有电导调制效应，使其导通压升高； 不存在复合问题，因而工作频率可以很高，可达几百千赫，甚至更高。不存在复合问题，因而工作频率可以很高，可达几百千赫，甚至更高。2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述 电力电子
6、器件的建模是电力电子系统仿真研究的一个非常重要的环节。仿真结果是否准确，很大程度上都同模型是否精确直接关联。电系统的其他器件的建模已越来越多。比如磁性元件的建模等。另外，对电力电子系统负载的建模已经成为一个不可忽视的领域。 电力电子器件的建模不单单是学术上的要求，而且也是工业上的需要。现在有些国际著名的器件公司，在推出新器件的同时，也同时把该器件的计算机仿真模型提供给器件的使用者。2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述一、电力电子器件模型需求一、电力电子器件模型需求 1. 1. 电路上的需要（最低要求）电路上的需要（最低要求） 2. 2. 准确提供波形信息准确提供波形信息 3. 3.
7、 换向过程换向过程 4. 4. 元器件张力元器件张力 5. 5. 功率消耗功率消耗 6. 6. 设计器件缓冲电路的需要设计器件缓冲电路的需要2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述二、电力电子模型形式二、电力电子模型形式1 1、 简单模型简单模型这种模型不能表达一个器件的准确的信息，只能执行该器件的最这种模型不能表达一个器件的准确的信息，只能执行该器件的最基本的功能（如开关功能）。一般用在系统层次仿真和要求不高基本的功能（如开关功能）。一般用在系统层次仿真和要求不高的电路层次的仿真中，优点是突出系统和电路的特性和表现，节的电路层次的仿真中，优点是突出系统和电路的特性和表现，节省仿真时间
8、。例如理想开关模型。省仿真时间。例如理想开关模型。理想开关与功率开关器件的区别理想开关与功率开关器件的区别2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述2、一般模型、一般模型 模型有较复杂的结构，能够较准确反映出器件的主要特性和功模型有较复杂的结构，能够较准确反映出器件的主要特性和功能，一般用在电路层面的仿真分析，仿真真实度和节省仿真时间都能，一般用在电路层面的仿真分析，仿真真实度和节省仿真时间都居中。大多数的仿真软件都采用这种模型。居中。大多数的仿真软件都采用这种模型。 2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述3、精确模型、精确模型 精确模型结构和数学表达式都非常复杂，精确模型考虑
9、的因素较多。精确模型结构和数学表达式都非常复杂，精确模型考虑的因素较多。要求模型能够准确反映器件的真实特性。主要用于提供器件的换向过程、要求模型能够准确反映器件的真实特性。主要用于提供器件的换向过程、波形信息、器件张力、功率消耗等。在设计器件的吸收电路时，精确模波形信息、器件张力、功率消耗等。在设计器件的吸收电路时，精确模型是非常有用的。型是非常有用的。 u子电路型电力电子器件模型子电路型电力电子器件模型 所谓的子电路模型是在一些可利用的电路仿真软件中已经建立的传统所谓的子电路模型是在一些可利用的电路仿真软件中已经建立的传统器件模型同一些无源器件、开关、受控电源等结合所构成的器件模型。器件模型
10、同一些无源器件、开关、受控电源等结合所构成的器件模型。 u数值型电力电子器件模型数值型电力电子器件模型 数值型电力电子器件模型的建模是直接根据器件的物理特性进行数值型电力电子器件模型的建模是直接根据器件的物理特性进行建模，所以又称功率半导体器件物理建模。建模，所以又称功率半导体器件物理建模。 2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述三、电力电子器件建模的方法三、电力电子器件建模的方法 1 1、电力电子器件建模需考虑的问题、电力电子器件建模需考虑的问题 u电阻系数的调制电阻系数的调制 区域边界区域边界X X1 1到到X Xr r，面积为面积为A A的区域电阻由下式表：的区域电阻由下式表：
11、 rXXpnpnqAdxR1)(这里这里n n和和p p分别是电子和空穴的密度，分别是电子和空穴的密度， n和和 p是载流子的迁移率是载流子的迁移率 u电荷存储量电荷存储量uMOSMOS电容电容u电热交互作用电热交互作用u击穿击穿2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述2、电力电子器件建模的建模方法、电力电子器件建模的建模方法1. 1. 子电路建模法子电路建模法建立在已有的通用建立在已有的通用电路仿真平台上，电路仿真平台上，根据需要建模的电根据需要建模的电力电子器件特性，力电子器件特性，利用仿真平台器件利用仿真平台器件库中已有的器件，库中已有的器件，搭出满足电力电子搭出满足电力电子器件
12、器件静态和动器件器件静态和动态特性模型来。态特性模型来。 SDCgdCgsC一个简单的功率一个简单的功率MOSMOSFETFET子电路模型子电路模型 SGDDSVDSCGSCGDCGDVGSVDRSRGRDJ一个较复杂的功率一个较复杂的功率MOSMOSFETFET子电路模型子电路模型 2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述2. 2. 数值建模法数值建模法直接利用半导体功率器件的物理方程求解而得到模拟结果的一种建模方直接利用半导体功率器件的物理方程求解而得到模拟结果的一种建模方法，但在大多数情况下，在器件的物理方程下得到确切的分析解是比较法，但在大多数情况下，在器件的物理方程下得到确切
13、的分析解是比较困难的，仅此，往往要利用一些间接方法表示模型方程，为此产生了各困难的，仅此，往往要利用一些间接方法表示模型方程，为此产生了各种各样的方案和途径。种各样的方案和途径。 A. A. 功能模型法功能模型法 功能模型是将一个器件当作一个功能模型是将一个器件当作一个“模块模块”来对待。以描述器件的来对待。以描述器件的外特性为主，基本上不涉及发生在器件内部的物理效应（或作用）。外特性为主，基本上不涉及发生在器件内部的物理效应（或作用）。 2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述u标准的低功率模型标准的低功率模型在一些可利用的电子电路仿真器中，已经建立了大量的标准低功率的器件在一些可利
14、用的电子电路仿真器中，已经建立了大量的标准低功率的器件模型，靠参数优化的方法将这些模型用到功率电子器件建模上。模型，靠参数优化的方法将这些模型用到功率电子器件建模上。u查表查表为了仿真的目的，将直接来自测量和计算的数据结果存储起来并能方便的为了仿真的目的，将直接来自测量和计算的数据结果存储起来并能方便的取出，这就是查表操作。这种方法特别适合于器件静态特性的建模，但不取出，这就是查表操作。这种方法特别适合于器件静态特性的建模，但不适合器件的动态特性的建模。适合器件的动态特性的建模。u经验公式经验公式功能模型的方程式不是来自于器件的严格物理特性，在大多数的情况下，功能模型的方程式不是来自于器件的严
15、格物理特性，在大多数的情况下，往往是任意的数学表达式，这些公式来自简化的器件外部观察特性。但有往往是任意的数学表达式，这些公式来自简化的器件外部观察特性。但有时也能照顾到器件内部的物理特性。器件的端电压和电流能够用这些简化时也能照顾到器件内部的物理特性。器件的端电压和电流能够用这些简化的公式作近似的模拟的公式作近似的模拟。 2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述B. B. 近似解方法近似解方法 这种模型的方程式基于器件的物理特性，但在一些特殊的情况下，这种模型的方程式基于器件的物理特性，但在一些特殊的情况下，方程的确切解不可能得到或受到限制，因此要采用适当的数值运算，方程的确切解不可
16、能得到或受到限制，因此要采用适当的数值运算，这样得到的是近似的数值解。这样得到的是近似的数值解。 在许多情况下，这种方法有时纯粹来自经验，但在一些严格的边在许多情况下，这种方法有时纯粹来自经验，但在一些严格的边界条件下，完全可能得到正确的解。界条件下，完全可能得到正确的解。u假定解假定解u置换法置换法 u某些项的忽略法某些项的忽略法 C. C. 数值解数值解 最精确的解是数值解方法，这种方法是将给定区域离散成有限数量的最精确的解是数值解方法，这种方法是将给定区域离散成有限数量的网孔点。据此分为有限差分法和有限元法。有限差分法同集总电荷法有些相网孔点。据此分为有限差分法和有限元法。有限差分法同集
17、总电荷法有些相似。有限元法是对于每个被离散的区域使用数学方程作为近似解的方法。似。有限元法是对于每个被离散的区域使用数学方程作为近似解的方法。2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述3 3、电力电子器件模型参数及其提取、电力电子器件模型参数及其提取 一个模型是否精确不仅仅取决于模型本身，它还取决于模型参数。实一个模型是否精确不仅仅取决于模型本身，它还取决于模型参数。实际上用于电路仿真的器件模型是否对电路的设计者有价值，是取决于模型际上用于电路仿真的器件模型是否对电路的设计者有价值，是取决于模型的参数系列是否可靠。的参数系列是否可靠。u电力电子器件的模型参数电力电子器件的模型参数技术参数
18、技术参数 这些参数涉及到器件结构和材料特性。如：不同区域的长度和这些参数涉及到器件结构和材料特性。如：不同区域的长度和宽度、掺杂浓度等。宽度、掺杂浓度等。 物理参数物理参数 这些参数是同器件的物理现象有关的参数。像载流子的产生、复合、这些参数是同器件的物理现象有关的参数。像载流子的产生、复合、扩散、载流子的分布、迁移率和载流子的寿命等等。扩散、载流子的分布、迁移率和载流子的寿命等等。2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述电气参数电气参数 这些参数决定了器件的电气特性，在有些情况下它们由器件的一些物这些参数决定了器件的电气特性，在有些情况下它们由器件的一些物理和技术参数所构成。典型的参
19、数是：饱和电流、击穿电压、门槛电压、理和技术参数所构成。典型的参数是：饱和电流、击穿电压、门槛电压、跨导、电流放大系数等。跨导、电流放大系数等。热参数热参数 这些参数用来描述器件的热效应。器件的热效应常常通过热阻这些参数用来描述器件的热效应。器件的热效应常常通过热阻和热容量来建模，通常要将封装和散热器都加在一起考虑。和热容量来建模，通常要将封装和散热器都加在一起考虑。拟合参数拟合参数 有些参数并不是直接来自器件的物理特性，而是来自对器件测量有些参数并不是直接来自器件的物理特性，而是来自对器件测量的数据和曲线，对这些曲线进行建模时产生了曲线拟和参数。曲线拟的数据和曲线，对这些曲线进行建模时产生了
20、曲线拟和参数。曲线拟和的方法有时能够简化建模和优化建模。在建模的过程中也大量使用。和的方法有时能够简化建模和优化建模。在建模的过程中也大量使用。但这些参数往往失去了它们的物理意义变成了纯粹的拟和参数。但这些参数往往失去了它们的物理意义变成了纯粹的拟和参数。2.2 电力电子器件建模概述电力电子器件建模概述u电力电子器件模型参数的提取电力电子器件模型参数的提取 虽然器件参数可以从多种途径得到，但最常用的方法是从被测量的虽然器件参数可以从多种途径得到，但最常用的方法是从被测量的器件特性上提取参数。下面介绍两种通过从被测量的器件特性上提取器件特性上提取参数。下面介绍两种通过从被测量的器件特性上提取参数
21、的方法。参数的方法。参数优化法参数优化法 测量得到的数据由数学优化的方法进行数据拟和，以使更好地以测量得到的数据由数学优化的方法进行数据拟和，以使更好地以适配器件模型。适配器件模型。 参数隔离法参数隔离法 器件的特性依赖于精细选取的一个或几个参数，但是参数的隔离不是器件的特性依赖于精细选取的一个或几个参数，但是参数的隔离不是总能做到的。因为器件的特性是由多个参数所决定的，而且有些参数直总能做到的。因为器件的特性是由多个参数所决定的，而且有些参数直接的或间接地相互关联和影响。接的或间接地相互关联和影响。2.3 功率二极管模型功率二极管模型一、功率二极管结构一、功率二极管结构2.3 功率二极管模型
22、功率二极管模型二、静态特性二、静态特性u电导调制效应：电导调制效应：电流注入载流子数电阻率多子保持电中性uD DiD D电导调制效应mAA 反向阻断雪崩击穿0.51.2V2.3 功率二极管模型功率二极管模型开通过程开通过程：势垒电容势垒电容体电感体电感正向恢复时间正向恢复时间三三 、动态特性、动态特性2.3 功率二极管模型功率二极管模型关断过程：关断过程：由UR、线路电感、体电感决定反向充电建立势垒2.3 功率二极管模型功率二极管模型PD的分类的分类 普通普通PD 100usPD 100us 快恢复二极管快恢复二极管(Fast Recovery Diode 0.2us)(Fast Recove
23、ry Diode 0.2us) 软恢复二极管软恢复二极管(Soft Recovery Diode 0.5us)(Soft Recovery Diode 0.5us) 势垒（肖特基）二极管势垒（肖特基）二极管(Schottky Barrier Diode 50ns)(Schottky Barrier Diode 11时，回路产生正反馈作用，两个晶体管均处于时，回路产生正反馈作用，两个晶体管均处于饱和导通状态，因而饱和导通状态，因而SCRSCR导通。当导通。当1 1+2 211时，正反馈作时，正反馈作用停止，两个晶体管均截止，因而用停止，两个晶体管均截止，因而SCRSCR关断。由此可知，关断。由此
24、可知，SCSCR R是一种具有导通和关断两个稳定状态的开关器件，两种状是一种具有导通和关断两个稳定状态的开关器件，两种状态转换的关键是态转换的关键是1 1和和2 2的变化。的变化。 1 1+2 2=1=1时的时的阳极电流阳极电流称为称为SCRSCR的擎住电流，一旦导通门极就失去控制作用。的擎住电流，一旦导通门极就失去控制作用。2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立u关断原理关断原理当当1 1+2 211时才能中止时才能中止SCRSCR内部正反馈回路的作用。使内部正反馈回路的作用。使1 1+ +2 211的方法，也即关断的方法，也即关断SCRSCR的方法有两种。的方法有两
25、种。 (a)(a)为电流过零关断；为电流过零关断； (b)(b)为电流反向关断。为电流反向关断。SIASIKE(a)(b)2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立u静态伏安特性及参数静态伏安特性及参数SCRSCR的参数主要有：的参数主要有：断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM，反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM，额定通态平均电流额定通态平均电流I IF F，浪涌电流浪涌电流I Iauraur，开通时间开通时间t tonon，关断时间关断时间t toffoff，断态临界电压上升率断态
26、临界电压上升率duduA A/dt/dt，通态临界电流上升率通态临界电流上升率di/dtdi/dt，额定结温额定结温T TJ J等。等。 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立2、 SCR的模型的建立的模型的建立 u建模条件 当控制极给出一个正向的控制极电压时，若此时的SCR的阳极为正电位，阴极为负电位，SCR应呈现出一个开关的通态特性。只要阳极有电流流过，SCR应仍为导通状态。当阳极电流为0，或SCR承受反向的阳极电压时，SCR应呈现出一个开关的关断特性。2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立uSCRSCR简单仿真电路模型简单仿真电路模型 2.
27、4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立二、二、 GTO模型的建立模型的建立1 1、GTOGTO原理与特性原理与特性u基本结构与特点基本结构与特点 结构不同于普通晶闸管，GTO具有自关断能力的全控型晶闸管。它也是PNPN四层结构它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、浪涌能力强和造价便宜等。同时它又具有GTR的一些优点，如具有自关断能力、工作频率较高、使用方便、线路简单、控制功率较小等。 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立uGTO阴极一门极图形及并联单元结构示意图阴极一门极图形及并联单元结构示意图2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型
28、的建立模型的建立uGTO的符号与门极阳极电流波形的符号与门极阳极电流波形 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立u开通原理开通原理 GTOGTO的的PNPNPNPN四层结构也可以用双晶体管模型来分析，所以它的开通原四层结构也可以用双晶体管模型来分析，所以它的开通原理与理与SCRSCR一样。当一样。当GTOGTO的阳极加正电压，门极加足够的正脉冲信号后，的阳极加正电压，门极加足够的正脉冲信号后，GTGTO O即可进人大面积导通状态。即可进人大面积导通状态。 GTOGTO导通时，等效电路中导通时，等效电路中1 1+2 2稍大于稍大于1 1而而近似等于近似等于1(1(如如1.
29、051.05左右左右) )，因而处于临界导通状，因而处于临界导通状态，这就为态，这就为GTOGTO用门极负信号使用门极负信号使1 1+2 2 1 1，进而，进而关断阳极电流提供了有利条件。关断阳极电流提供了有利条件。SCRSCR的的1 1+2 2比比1 1大得多大得多( (约约1.151.15左右左右) )，器件饱和程度较深，因，器件饱和程度较深，因而用门极负脉冲不足以使而用门极负脉冲不足以使1 1+2 2达到小于达到小于1 1的程的程度，因而也就不能用门极负信号去关断阳极电流。度，因而也就不能用门极负信号去关断阳极电流。这是这是GTOGTO与与SCRSCR的一个极为重要的区别。的一个极为重要
30、的区别。2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立u关断原理关断原理 GTOGTO的电流关断增益的电流关断增益 GTO关断电路与电流波形 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立uGTO的静态和动态特性的静态和动态特性 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立ACVAMIAITVD9 . 0 VDVDSPVA9 . 0IDMVD1 . 0 VGIGMIGM1.0IGVBPIGQIGQVdtrtgttstftglttailtGQ1 .0ItailIuGTOGTO的动态特性的动态特性 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建
31、立模型的建立2、 GTO模型的建立模型的建立 u从从GTOGTO的建模角度来看，大致有两种主要的模型：的建模角度来看，大致有两种主要的模型： 三个三个PNPN结建模方法。结建模方法。 两个晶体管（两个晶体管（BJTBJT）建模方法建模方法。 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立GACPN P121R2R3RGIAINP N1PNPNPNECIIuGTOGTO的的2T2T3R3R模型模型 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立3 3、 模型参数的确定模型参数的确定 GTOGTO建模的关键是建模的关键是2T-3R2T-3R电路，可以试选这三个电阻。
32、电路，可以试选这三个电阻。通过实验表明，这几个电阻对静态曲线影响的灵敏度分通过实验表明，这几个电阻对静态曲线影响的灵敏度分别为：别为： R R1 1对负向斜坡影响最大对负向斜坡影响最大 R R2 2影响维持电流的值影响维持电流的值I IH H R R3 3影响正向击穿电压影响正向击穿电压V Vbobo 关断增益的最大值关断增益的最大值 GAoffIIK2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立关断增益以下式的形式给出关断增益以下式的形式给出 ：) 1(NPNPNPNPNoffK关断增益的表达式还可以表示为关断增益的表达式还可以表示为 ：)()(NPNPNPNPNPNPNPN
33、off1K4offK100NPN21. 0PNP2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立 除了除了2T-3R2T-3R细胞的岛特性之外，还要考虑一些其他的因细胞的岛特性之外，还要考虑一些其他的因素，才能进行素，才能进行CACDCACD仿真，如仿真，如 RC RC 延迟电路以建模延迟时间延迟电路以建模延迟时间 在各个岛之间的多重电感耦合产生非均匀岛电流效应在各个岛之间的多重电感耦合产生非均匀岛电流效应 由互感由互感M M 建模建模 建模岛表面平面接触产生非均匀性的阴极电流的建模岛表面平面接触产生非均匀性的阴极电流的R RKCKC 建模门接触电阻建模门接触电阻R RGCGC
34、2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立模型参数的确定步骤如下：模型参数的确定步骤如下： 步骤一、确定模型使用步骤一、确定模型使用2T-3R2T-3R的数目的数目 步骤二、步骤二、2T-3R2T-3R细胞按下列方式综合细胞按下列方式综合 1 1）选择选择 和和 ，以满足所希望的的，以满足所希望的的 值值 NPNPNPoffK2 2）选择）选择R R1 1的值，一般这个值选取应等于的值，一般这个值选取应等于GTOGTO器件手册中给出的门旁路电阻相同器件手册中给出的门旁路电阻相同 3 3）选择的）选择的R R2 2值而得到维持电流（值而得到维持电流（ ）。这里的）。这里的n
35、n是细胞数是细胞数 4 4）选择）选择R R3 3的值以获得正向击穿电压的值以获得正向击穿电压V Vbobo 5 5）检查是否满足）检查是否满足S-S-型负电阻（型负电阻（NDRNDR）特性特性 步骤三、选择步骤三、选择RCRC延迟电路以获得适当延迟时间延迟电路以获得适当延迟时间 步骤四、选择接触电阻步骤四、选择接触电阻R RKCKC以适当分配在细胞间的阴极电流以适当分配在细胞间的阴极电流 nI /h步骤五、选择门接触电阻步骤五、选择门接触电阻R RGCGC 步骤六、选择互感耦合电抗步骤六、选择互感耦合电抗M M以匹配开断电流以匹配开断电流I IA A的变化率的变化率 2.4 SCR2.4 S
36、CR、GTOGTO模型的建立模型的建立u单细胞单细胞2T2T3R3R的的GTOGTO模型仿真电路模型仿真电路 4 4、仿真模型及结果、仿真模型及结果2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立u双细胞双细胞2T2T3R3R的的GTOGTO模型仿真电路模型仿真电路 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立uGTOGTO模型控制极的动态特性仿真结果模型控制极的动态特性仿真结果 2.4 SCR2.4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立uGTOGTO模型阳极电流和电压在开通时的动态特性仿真结果模型阳极电流和电压在开通时的动态特性仿真结果 2.4 SCR2.
37、4 SCR、GTOGTO模型的建立模型的建立uGTOGTO模型阳极电流和电压在关断时的动态特性仿真结果模型阳极电流和电压在关断时的动态特性仿真结果 2.5 2.5 功率功率MOSFETMOSFET模型模型一、功率一、功率MOSFETMOSFET结构与特性结构与特性 1. 功率功率MOSFET结构结构 可控功率电子器件主要分两大类：一类是电平触发的功率电子器件，只要在器件的控制端的电平保持正向偏置，器件就处于开通状态，这类器件有、GTR、IGBT等；另一类是脉冲触发的功率电子器件，器件控端受到正向脉冲的触发而导通，器件的关断要么器件的主电极反向或在器件控端加以反向脉冲，这类器件有SCR、GTO等
38、。MOSFET是属于电平触发的功率电子器件。2.5 功率功率MOSFET模型模型MOSFETMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Metal Oxide Semiconductor FieleFiele-Effect Transistor-Effect Transistor）是一是一种单极性器件。功率种单极性器件。功率MOSFETMOSFET具有较高的开关速度；非常低的门驱动功率；具有较高的开关速度；非常低的门驱动功率；容易并联；没有双极型晶体管的二次击穿的现象。容易并联；没有双极型晶体管的二次击穿的现象。LDSGPUGSUDSNN一个普通一个普通MOSFETMOS
39、FET的内部结构的内部结构 2.5 功率功率MOSFET模型模型 制造功率制造功率MOSFETMOSFET的关键，主要是解决大电流和高电压问题，以提高器件的功率处的关键，主要是解决大电流和高电压问题，以提高器件的功率处理能力对比理能力对比MOSFETMOSFET与双极型器件（如与双极型器件（如GTRGTR）的结构，发现后者首先在功率领域获得的结构，发现后者首先在功率领域获得突破的原因主要有三点：突破的原因主要有三点： 1) 1) 发射极和集电极是安置在基区的两侧，电流是流过面积很大而厚度较薄的基发射极和集电极是安置在基区的两侧，电流是流过面积很大而厚度较薄的基区，因而可以参照区，因而可以参照G
40、TRGTR等功率器件，制造为垂直导电模式，电流容量可以很大；等功率器件，制造为垂直导电模式，电流容量可以很大； 2) 2) 为了提高耐压，在集电区中加人了一个轻掺杂为了提高耐压，在集电区中加人了一个轻掺杂N N- -型区，使器件耐压能力大为型区，使器件耐压能力大为改善；改善； 3) 3) 基区宽度的控制是靠双重扩散技术实现的，尺寸控制严格准确，适宜于各种基区宽度的控制是靠双重扩散技术实现的，尺寸控制严格准确，适宜于各种功率要求的设计。功率要求的设计。 VVMOSFET和和UMOSFET基本结构基本结构 电场集电场集中，不中，不易提高易提高耐压。耐压。2.5 功率功率MOSFET模型模型 垂直导
41、电垂直导电VDVD，面积大，电，面积大，电流大；流大； 轻掺杂，电阻率大，耐轻掺杂，电阻率大，耐压高；压高； 沟道短沟道短D-SD-S间间U U、R R、C C均均小；小； 胞元并联结胞元并联结R RDSDS小，可达小，可达mm。 无电导调制效应，无电导调制效应，U UDSSDSS较较GTRGTR大。大。功率功率MOSFETMOSFET的内部结构的内部结构 2.5 功率功率MOSFET模型模型2. MOSFET2. MOSFET静态特性与参数静态特性与参数 (1)静态特性静态特性静态特性主要指功率静态特性主要指功率MOSFETMOSFET的输出特性、饱和特性和转移特性。与静的输出特性、饱和特性
42、和转移特性。与静态特性相关的参数主要有通态电阻态特性相关的参数主要有通态电阻R Ronon、开启电压开启电压V VGS(Th)GS(Th)、跨导跨导g gm m。最大最大电压额定值电压额定值BVBVDSDS和最大电流额定值和最大电流额定值I IDMDM等。等。u输出特性输出特性 2.5 功率功率MOSFET模型模型u饱和压降特性饱和压降特性 由于功率由于功率MOSFETMOSFET是单极型器件，不像是单极型器件，不像GTRGTR、SCRSCR及及GTOGTO那样具有载流那样具有载流子存贮效应，因而通态电阻较大，饱和压降也较高，使导通损耗大。子存贮效应，因而通态电阻较大，饱和压降也较高，使导通损
43、耗大。为了降低通态电阻，在设计上要采取一些相应的措施。但是，为了降低通态电阻，在设计上要采取一些相应的措施。但是，MOSFETMOSFET的通态电阻总是要比的通态电阻总是要比GTRGTR、SCRSCR及及GTOGTO的通态电阻大。的通态电阻大。 2.5 功率功率MOSFET模型模型u转移特性转移特性 栅源电压栅源电压V VGSGS漏极电漏极电流流I ID D之间的关系称为转移之间的关系称为转移特性。下图为功率特性。下图为功率MOSFETMOSFET在小信号下的转移特性。在小信号下的转移特性。图中特性曲线的斜率图中特性曲线的斜率D DI ID D/ /D DV VGSGS即表示功率即表示功率MO
44、SFETMOSFET的的放大能力，因为它是电压放大能力，因为它是电压控制器件，所以用跨导参控制器件，所以用跨导参数数g gm m来表示，跨导来表示，跨导g gm m的作的作用与用与GTRGTR中的电流增益中的电流增益相似。相似。 2.5 功率功率MOSFET模型模型(2) 静态参数静态参数 rCH 反型层沟道电阻rACC 栅漏积聚区电阻 rJFET FET夹断区电阻rD 轻掺杂漏极区电阻Ron=rCH+rACC+rJFET+rD 功率功率MOSFET通态电阻分布示意图通态电阻分布示意图 u通态电阻通态电阻2.5 功率功率MOSFET模型模型1. Ron与温度非常敏感2. 易于并联3. 电压等级
45、越高影响越大Ron与温度的关系与温度的关系 2.5 功率功率MOSFET模型模型Ron与漏极电流的关系与漏极电流的关系 2.5 功率功率MOSFET模型模型电压等级越高rD对Ron的影响越大Ron与栅源电压的关系与栅源电压的关系 2.5 功率功率MOSFET模型模型 对于高耐压功率MOSFET，为了满足电压设计的需要，其漂移区的杂质浓度较低，所用的外延层较厚。当导电沟道充分强化之后，其总的通态电阻Ron主要决定于漂移区电阻rD。利用漏源之间的击穿电压BVDS与漂移区杂质浓度和厚度的关系，以及漂移区电阻与其杂质浓度和厚度的关系，可以将功率MOSFET的通态电阻表示成击穿电压的函数，即 式中，A代
46、表芯片面积。若其单位用mm2，BVDS的单位用V，则Ron的单位是。于是，我们可以很方便地利用器件的电压额定来估计它的通态压降VDSIDRDS或功耗ID2RDS。 ABVRDSon5 . 27103 . 82.5 功率功率MOSFET模型模型u开启电压开启电压VGS(Th) VGS(Th)与温度的关系与温度的关系 2.5 功率功率MOSFET模型模型u跨导跨导gm 小信号跨导gm与栅压VGS的关系曲线 2.5 功率功率MOSFET模型模型u漏极击穿电压漏极击穿电压BVDS BVDS-Tj关系关系 2.5 功率功率MOSFET模型模型u栅源击穿电压栅源击穿电压BVBVGSGS 对栅源击穿电压BV
47、GS是为了防止绝缘栅层会因栅源电压过高而发生介电击穿而设定的参数。MOSFET处于不工作状态时，因静电感应引起的栅极上的电荷积累将有可能击穿器件一般将栅源电压的极限值定为20V。u最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 最大漏极电流IDM表征功率MOSFET的电流容量，其测量条件为：VGS=10V,VDS为某个适当数值。2.5 功率功率MOSFET模型模型(3) 动态特性动态特性u功率功率MOSFET极间电容分布及其等效电路极间电容分布及其等效电路 2.5 功率功率MOSFET模型模型极间电容与极间电容与VDS成反比，成反比，因此高耐压器因此高耐压器件不应应用在件不应应用在低压电路中。低压电路
48、中。2.5 功率功率MOSFET模型模型u栅极电荷特性栅极电荷特性 Miller电容静态下很小，动态值最高可以达到CGS的20倍以上，因此需要比手册中提供的Ciss更多的充电电荷。栅源电压时间曲线 2.5 功率功率MOSFET模型模型CGD充电电荷随充电电荷随外电路不同而外电路不同而不同。不同。栅电荷曲线（恒流充电） 2.5 功率功率MOSFET模型模型驱动电路驱动栅极电阻如何计算？开关时间与漏极电流关系曲线 2.5 功率功率MOSFET模型模型u开关过程开关过程2.5 功率功率MOSFET模型模型u源漏二极管特性源漏二极管特性 由于功率MOSFET中专门集成一个反并联二极管，用以提供无功电流
49、通路。所以当源极电位高于漏极时，这个二极管即正向导通。由于这个二极管成为电路的重要组成部分，所以手册中都给出它的正向导通压降(即VSD)和反向恢复时间trr的参数值。 功率MOSFET内部存在着一个寄生三极管，它的集电极与基极间的电容CCB和基射电阻RBE相连接。当漏源极间出现较高的电压变化率dvDS/dt时，在电容CCB中会产生位移电流iB其值为iB=CCBdvDS/dt 该位移电流iB流入寄生三极管基极，在iB值达到一定数值时，有可能使寄生三极管导通，进而使功率MOSFET的耐压能力受到破坏。但在一般情况下由于电阻RBE值很小，不致出现这种严重情况。 u漏源极的漏源极的dv/dtdv/dt
50、耐量耐量 2.5 功率功率MOSFET模型模型由于功率MOSFET的开关频率很高，若带电感负载运行时必然使器件在关断过程中承受很高的再加电压。在这种情况下功率MOSFET有可能出现电压和电流同时为最大值的瞬态工况，使器件因承受很大的瞬时功率损耗而遭受损坏。此外，与静态dvDS/dt的效应相同，过高的dvDS/dt会经反馈电容Crss耦合到栅极上，致使正在关断的功率MOSFET再次误开通。 2.5 功率功率MOSFET模型模型二极管反向恢复期内决定的漏源极的电压上升率dvDS/dt，称之为二极管恢复dvDS/dt。这也是一种动态dvDS/dt。 反向恢复特性2.5 功率功率MOSFET模型模型2