IGCT电学模型的建立与验证

宋阳 王兴禄

关键词： IGCT; 电力电子器件; 电学模型; 动态特性; 硬驱动; 门极换流

中图分类号： TN103?34; TP335                     文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）03?0163?05

Abstract： The electrical model of integrated gate commutated thyristor （IGCT） isn′t considered in power electronic circuit design， which makes its application limited. The gate cathode of IGCT is replaced by diode in circuit simulation， which can′t describe the device characteristics of IGCT accurately. According to the structural features and working principle of IGCT， an IGCT equivalent electrical model suitable for circuit simulation is established. The PSPICE software is used to analyze the switching characteristics of IGCT. The simulation waveform is compared with the measured waveform and device simulation waveform， and the main characteristic parameters are compared with the data in the IGCT manual. This model is applicable to the design of IGCT drive circuit and simulation study of simple system.

Keywords： IGCT; power electronic device; electrical model; dynamic characteristic; hard drive; gate current conversion

0  引  言

集成门极换流晶闸管（IGCT）是在门极可关断晶闸管（GTO）的基础上发展起来的一种大功率半导体开关器件，通过印刷电路板将GCT芯片与其门极驱动电路连接在一起，使门极驱动回路电感限制在纳亨（nH）水平，实现门极换流和硬驱动。随着IGCT研究的进一步发展及其可靠性的提高，其市场前景将会更加广阔[1?4]。在IGCT的仿真和实验中，多数用二极管来替代IGCT器件的门阴极，这给IGCT的驱动电路设计和基于IGCT的各种应用电路的研究造成了很大困难和偏差，目前國内外各类仿真软件都没有IGCT的仿真模型，因此需要建立一种适用于电路仿真的IGCT模型。目前，国内外学者已经对IGCT建模进行了相关的研究，已建立了IGCT的物理学模型和IGCT综合型电荷控制模型，这两种模型都属于物理模型[5?6]，不适合于实际电路中的器件特性仿真。在用PSIM软件进行电力电子电路仿真时采用IGCT的功能型模型[2，7]，PSIM软件电学模型[8?9]只是针对PSIM仿真软件，仅可以模拟GCT开通，无法表征GCT在硬驱动条件下的关断特性和换流过程[2]。为了描述IGCT的门极换流效果，本文基于非对称型IGCT结构和元件参数，采用PSPICE软件仿真IGCT的开关特性，并通过与实测波形、器件仿真波形进行对比，验证了该电学模型的准确性和通用性。

1  GCT结构、原理与开关特性

1.1  GCT的基本结构与等效电路

GCT是在GTO的基础上，采用透明阳极、场阻止层等技术，构成了一个p+nn-pn+五层晶闸管结构，如图1所示。可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管Q1，Q2组成，得到GCT双晶体管等效模型，如图2所示。

1.2  GCT的开关原理

当在GCT的阳?阴极间加上适当的正向电压（[VAK>]0），门阴极间加上电流幅值[IGM]和上升率[diGdt]很高的正脉冲电流时，GCT会由正向阻断状态转换为导通状态，可以看成两个正反馈的晶体管（PNP和NPN），如图3a）所示。门极正脉冲电流使NPN晶体管的J3结瞬间全部导通，均匀地向p基区注入电子，进入p基区的电子扩散到J2结附近，被反偏的J2结扫入[n-]基区，导致[n-]基区的电位下降，从而引起透明阳极均匀地向[n-]基区注入空穴。由此导致阳极PNP晶体管和阴极NPN晶体管之间互相驱动，形成正反馈。当阳极PNP晶体管电流放大系数[α1]和阴极NPN晶体管的电流放大系数[α2]之和大于1，即[α1+α2≥1]时，GCT大面积均匀导通。开通过程中阳极电压[VAK]下降，[VAK]从0.9 [VDC]下降至0.1 [VDC]为开通下降时间[t]，指标参数[tf]≤1 ?s，阳极电流[iA]上升。

如图3b）所示，当GCT采用强的负脉冲（[iG?]0）进行关断，即在门阴极间加上电流幅值[-iGQ]和上升率[-diGdt]都很高的负脉冲电流，使负门极电流在1 ms以内上升到阳极电流的幅值。[p]基区的空穴从门极被快速抽取，使得门阴极结（J3结）迅速截止，其NPN晶体管随即关断，几乎所有的阳极电流都从门极流出，于是GCT相当于一个基极开路的PNP晶体管进而被关断。阳极电流下降[0.4ITGQM]所用时间为关断延迟时间[tdoff]， 指标参数[tdoff≤]7 ?s，最终阳极电流[iA]下降为0，GCT关断结束。

1.3  IGCT的关断波形

图4给出了IGCT模型关断时阳极电流[iA]、阴极电流[iK]及门极电流[iG]波形图。在[t=0]时，关断管快速闭合给门极加上高[didt]的负脉冲电流[iG]，[iA=iL]，[iK]会随着[iG]迅速下降。到[t1]时刻，[iK]下降为0，J3结开始反向恢复，到[t2]时刻[iK]的反向电流达到峰值，在[t3]时刻[iG=-iL]，J3的反向恢复结束。门阴极间的换流过程结束，阳极电流全部换流到门极。在[t4]时阳?阴极电压[VAK]开始上升。[t2]和[t4]之差用来判断器件是否运行在GCT模式，通常把这作为硬驱动的标准，即时间差[Δt=t4-t2>0]。[t5]时刻[VAK]达到线电压[VDC]，[iA]很快下降。[t6]时刻[iA]，[iG]均变为0，GCT完成整个关断过程。

2  IGCT电路仿真模型的建立

2.1  电学模型的建立

本文所建立的IGCT电学模型如图5所示，该模型由两个GCT单元和GCT结构的分布参数电路构成，每个GCT单元采用一个2T?3R模型，包括一对PNP，NPN晶体管和3个表征静态特性的电阻。经过仿真实验，当并联的2T?3R模型单元数>2时，仿真精度并没有明显的改善。图中Q1和Q2，Q3和Q4各为1对晶体管，[R1，R4]表示门极区等效电阻，主要反映GCT的门极触发特性。在GCT门极加上触发信号后，导通前门极的电压和电流主要由[R1，R4]承担，导通后门极电流通过Q2的发射极;[R2，R5]是阳极等效电阻，主要影响GCT的维持电流;[R3，R6]为断态电阻，根据GCT的工作原理分析，正向阻断时，描述关断过程中空间电荷区在高阻的[n]基区扩展时中性区的电阻，主要反映GCT正向阻断恢复时的特性;[C1，C2]表示J2结势垒电容，主要影响GCT的关断特性[10]。用[RD，CD]构成的RC延时电路描述各层之间触发信号的传输延时，用互感[M]描述两个单元间的相互作用，用门极接触电阻[RGC]描述不同阴极条与门极间的连接关系，用阴极电阻[RKC]表示阴极电流在不同单元间的分配关系。

2.2  模型參数的提取

2.2.1  双晶体管电流放大系数的提取

在GCT模型中，[α1，α2]的取值应满足两个条件： [α1+α2]的取值略大于1，使GCT导通时处于临界导通状态，从而为关断创造条件;[α1，α2]的匹配应使Q2先快速关断，以快速完成电流从阴极换流到门极。[α2]过大易使Q2进入过饱和状态，而[α2]过小又会导致[α1]过大，这会让Q1易进入过饱和状态，使GCT关断时间增大。所以，选取[α1，α2]的值时应折衷考虑。由于PSPICE软件中晶体管参数采用基极发射极放大系数[β]描述，而[β=α（1-α）]，折衷考虑Q1，Q2的特性后，可取[β1=]1.81，[β2=]0.70（[α1=]0.64，[α2=]0.41）。最终确定出晶体管的主要参数如表1所示。

2.2.2  电阻[R1，R2，R3]的确定

[R1]的取值可以通过门极触发电压和电流近似估算得到;[R2]可以根据器件结构算出，但在GCT的环形结构中只能做近似计算，也可以参考GTO模型中取值的方法;[R3]可以在[R1，R2]确定之后，通过给模型加渐变的电压，调节[R3]的值使转折导通电压相符后，即可获得[R3]的值。具体计算可根据文献[11]中提供的方法，最终得到[R1，R2，R3]的值如表2所示（[R4，R5，R6]类同）。在此，分布参数值取GTO模型中的经验取值[10]，如表2所示。

3  IGCT动态特性测试电路与动态仿真

3.1  动态特性测试电路

利用ABB数据手册中给出的测试电路，在PSPICE软件下搭建4.5 kV/4 kA IGCT动态特性测试电路如图6所示。图中方框内为被测GCT器件模型。按数据手册中的测试电路，采用纯感性负载，并取感性负载Load（200 mH），FWD为续流二极管;采用[VS]（2 800 V）直流电压源，[VS]两端并联滤波电容[CS]（4 700 mF）;缓冲及箝位电路包括缓冲电感[Li]（5 mH）、箝位二极管DCL、箝位电容[CCL]（10 mF）、箝位电阻[RS]（0.65 Ω）。电路的杂散电感[LCL=]0.3 mH。门极触发信号采用分段线性电压源[VG]，开通触发信号取为+20 V，关断信号为-20 V。门极回路的杂散电感[LG]为3 nH，寄生电阻[RG]为2 mΩ。

3.2  开通仿真波形

采用上述电路模型仿真得到GCT开通过程中阳极电压[VAK]、阳极电流[iA]波形如图7所示。在50 ?s时发出开通命令，在51 ?s时刻阳极电压[VAK]从0.9 [VDC]下降至0.1 [VDC]，开通下降时间[tf]在1 ?s内，与指标[tf] ≤1 ?s一致。阳极电流[iA]上升至4 kA，满足GCT的开通条件。

3.3  关断仿真波形

图8给出了IGCT模型关断时阳极电流[iA]、阴极电流[iK]及门极电流[iG]波形图。由图8可知，500 ms发出关断信号，阳极电压[VAK]上升，阳极电流下降[0.4ITGQM]（1.6 kA）关断延迟时间[tdoff]为5.5 ms， 符合指标参数[tdoff≤]7 ?s。关断时阴极电流[iK]在2.42 ms内反向恢复到零，即阳极电流2.42 ms内完全换流到门极，而阳极电压[VAK]约在2.45 ms后开始上升，关断条件[Δt>0]成立，说明采用该模型可以描述IGCT的硬驱动工作模式，最终阳极电流[iA]下降为0，GCT关断结束。可见，所建立的IGCT等效电路模型符合IGCT器件的关断过程中的换流特征。同时，图中[iA，iG，iK]也与图4的理想IGCT关断波形一致，由此可以证实本文所建立的IGCT仿真模型的有效性和准确性。

3.4  2.5 kA/4.5 kV IGCT关断仿真和文献实测波形对比

为了验证IGCT模型的可行性，图9为4.5 kV/2.5 kA的IGCT关断过程中[VAK]和[iA]的文献实测波形[11]与模型仿真波形。实验的测试条件为[ITGQ=]2.5 kA，[VDC=]2.8 kV，[VTM=]2.1 V。

由图9a）文献实测波形可见，关断时间约为9 ?s，关断延迟时间约为4 ?s，阳极电压峰值[VDM]约为3.8 kV，[VDSP]约为3.4 kV（小于4.5 kV），阳极最大可关断电流实测值达到2.5 kA。由图9b）仿真波形可见，关断时间约为8 ?s，关断延迟时间约为3.5 ?s，阳极电压峰值[VDM]约为3.7 kV，[VDSP]约为3.4 kV（小于4.5 kV），阳极最大可关断电流实测值达到2.5 kA。阳极峰值电压、最大可关断电流、关断时间仿真结果均与实测结果上保持了较好的一致性。

3.5  3.3 kA/4.5 kV IGCT关断仿真和器件仿真波形对比

为了验证IGCT模型的通用性，进一步对电流等级4.5 kV/3.3 kA的IGCT关断过程仿真波形与器件仿真波形进行对比，实验的测试条件为[VDC=]2.8 kV，[ITGQ=]3.3 kA，[VTM=]2.1 V。图10a）为采用器件仿真软件（ISE）数值分析仿真曲线。图10b）为采用本文建立的IGCT仿真模型得到的关断曲线。

由图10a）可知，器件关断时间约为10 ?s，关断延迟时间约为4 ?s，阳极电压峰值[VDM]约为4 kV，VDSP约为3.6 kV（小于4.5 kV），阳极最大可关断电流值达到3.3 kA。由图10b）模型仿真波形可见，关断时间约为11 ?s，关断延迟时间约为4 ?s，阳极电压峰值[VDM]约为4 kV，[VDSP]约为3.6 kV（小于4.5 kV），阳极最大可关断电流值达到3.3 kA。对比可知，4.5k V/3.3 kA系列IGCT的模型仿真结果与数值仿真结果相差较小，均与产品手册相符较好（关断时间不超过12 ?s，关断延迟时间[tdoff]小于7 ?s，两个电压峰值小于4.5 kV）。表明该模型可用于等效4.5 kV/3.3 kA IGCT，具有一定的通用性。

4  结  论

本文建立了一种适用于电路仿真的IGCT电学等效模型，提取了关键的模型参数。采用PSPICE软件对其开关特性进行仿真，并将仿真波形与实测波形、器件仿真波形進行对比分析。结果表明，采用该等效模型可以较准确地反映不同电流等级的IGCT的电学特性，具有一定通用性，从而用于IGCT驱动电路简单系统的仿真研究，为IGCT的应用研究、驱动与保护电路的设计和仿真提供参考。本模型仍需进一步改进，可以加入实际器件随温度变化而变化的模型参数，从而表征不同环境温度下IGCT的工作特征。

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