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IGCT电学模型的建立与验证

 

 

宋阳 王兴禄

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

： TN103?34; TP335                     ： A                    ： 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 border="1" 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

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。