CN102136015A - 一种新型晶闸管反向恢复暂态模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型晶闸管反向恢复暂态模型，晶闸管反向恢复过程模型的精确性，对于以晶闸管为开关器件的电力电子设备的电气性能研究和设计具有重要影响。为建立精确的晶闸管反向恢复过程动态模型，本发明在分析晶闸管阻断恢复过程中载流子运动特性和PN结变化规律的基础上，指出了传统的晶闸管反向恢复电流指数模型和双曲正割模型的优势和不足；结合晶闸管实际工作电路，提出用描述动植物自然生长过程的Logistic曲线来建立晶闸管反向恢复过程的非线性电阻模型；用迭代的方法来确定Logistic曲线精确参数。

Description

一种新型晶闸管反向恢复暂态模型

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种新型晶闸管反向恢复暂态模型。

背景技术

晶闸管阻断恢复过程电流电压波形如附图1所示，t₁到t₄这段时间被称为存储时间，用t_s表示，t₁到t₆这段时间被称为反向恢复时间，用t_rr表示。

通常，人们根据晶闸管阻断恢复过程电流波形建立晶闸管阻断恢复电气模型。从t₀时刻到t₄时刻，认为通过晶闸管的电流以恒定的变化率di/dt由+I_T变为-I_RM，从t₄时刻到t₆时刻晶闸管反向电流的幅值按照指数规律衰减，基于此，提出了反向恢复电流指数模型和双曲正割模型(ABB Design of RC Snubbers for Phase Control Applications)。

晶闸管反向恢复电流指数模型认为从t₁时刻到t₆时刻，反向电流按照式(1)的规律变化，得出的反向恢复电流曲线如附图2左图所示。

$I_r\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}t,t_1\≤t\≤t_4\\ I_{RM}{e}^{-\frac{t-t_1}{\mathrm{\τ}}},t_4\≤t\≤t_6\end{array}\right.---\left(1\right)$

从反向恢复电流指数模型曲线可以看出，当反向恢复电流达到峰值I_RM时会出现急剧转折，这与实际情况是不吻合的，然而对于软恢复特性的半导体器件，指数模型已经可以较准确地描述其关断特性。为了解决指数模型反向电流峰值处出现急剧转折的问题，双曲正割模型被提了出来，双曲正割模型认为反向恢复电流按照式(2)规律变化，相应的曲线如附图右图所示，反向电流峰值附近电流变化比较平滑，这和实测的反向恢复电流波形非常接近，因此，用该模型计算反向恢复过冲要比指数模型准确得多。

$I_r\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}t,t\≤t_a\\ I_{\mathrm{RM}}\mathrm{sech}\left(\frac{t-t_2}{{\mathrm{\τ}}_a}\right),t_a\≤t\≤t_4\\ I_{\mathrm{RM}}\mathrm{sech}\left(\frac{t-t_2}{{\mathrm{\τ}}_h}\right),t\≥t_4\end{array}\right.---\left(2\right)$

然而，使用双曲正割模型时，需要将反向恢复电流分成三段，确定两个时间常数τ_a、τ_h，这在实际应用中是很困难的，相比之下指数模型时间常数的确定要容易得多，因此，在实际应用中，指数模型尽管不够精确却倍受青睐。

指数模型和双曲正割模型的基本思路相同，都是通过反向恢复电流的变化规律来反映晶闸管的关断特性。然而，反向恢复电流的变化只是外在现象，不是究竟；若从根源上分析，是半导体器件在外电场作用下，载流子分布变化引起空间电荷区的变化，使半导体器件在电路中的阻抗值发生变化，引起电路中电流的变化。

变电阻模型可以比较真实地反映晶闸管阻断恢复过程中阻抗的变化。与反向恢复电流双曲正割模型相比，时变电阻模型参数的确定要容易得多，而且时变电阻模型反映了晶闸管整个阻断恢复过程中电阻的变化，这一点是双曲正割模型做不到的

发明内容

针对传统晶闸管反向恢复模型的不足和局限，本发明的目的是提出一种新型、精确、实用的晶闸管反向恢复模型，为含有大功率半导体器件电路的分析和仿真计算提供一种快捷有效的工具。

本发明解决其技术问题采取的技术方案为：采用非线性时变电阻R(t)仿真模拟晶闸管反向恢复过程。

通过对晶闸管反向恢复过程中载流子的运动规律进行分析可知，正向导通的晶闸管在承受反向电压恢复阻断的过程中，晶闸管电阻的变化规律是：晶闸管在承受反向最初一段时间内，其阻值非常小；在之后的一段时间内，晶闸管的电阻值按指数规律迅速增大；当晶闸管电阻值增大到断态电阻值时，晶闸管的电阻值将保持在断态电阻值，这时候可以认为晶闸管恢复阻断。

晶闸管反向恢复过程中电阻值变化规律与动植物自然生长过程非常类似，通常，动植物自然生长规律用Logistic曲线来描述，Logistic曲线又被称为生长曲线(附图3)，其数学表达式为：

$y=\frac{k}{1+{\mathrm{ae}}^{-\mathrm{bx}}}$

其中：

x：为时间；

y：通常用来表示长度和重量。

k、a和b为常数。

用Logistic曲线建立晶闸管反向恢复过程非线性时变电阻模型，需要确定常数k、a和b的值，此时自变量x仍为时间t，应变量y非线性时变电阻R(t)。

当t足够大时，R(t)＝k，可知k等于晶闸管断态电阻R_off-R；t＝0时，R(t)值非常小，此时可以指定R(t)为一个非常小的数值，若t＝0时R(t)＝0.05，则：0.05＝R_off-R/(1+a)，a＝20_Roff-R-1，由于R_off-R远大于1，故a＝20R_off-R。

时间常数b的确定需要结合实际工作电路。通常晶闸管的工作电路如附图4所示，设晶闸管正向电流过零时刻t＝0，电压源输出电压为Usinα，根据附图可4以列出电路的KVL方程：

$L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}+U_C+\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{dU}}_c}{\mathrm{dt}}=U\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})$

其中：R为晶闸管RC阻尼电路电阻值，C为晶闸管阻尼电路电容值，L为晶闸管工作电路电感值，I为主回路电流值，U_C为阻尼电容电压，ω为电压源频率；

由于在晶闸管正向电流过零后的最初一段时间内，晶闸管的电阻值非常小，可以认为晶闸管把RC电路短路，于是上式可以化简为：

$L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}+U_{\mathrm{thy}}=U\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})$

其中：U_thy为晶闸管两端电压；

t_s时刻晶闸管反向电流达到峰值电流I_RM，dI/dt＝0，上式可以表达为：

$U_{\mathrm{thy}}=R\left(t\right)I_{\mathrm{RM}}=\frac{R_{\mathrm{off}-R}{I}_{\mathrm{RM}}}{1+20R_{\mathrm{off}-R}{e}^{-{\mathrm{bt}}_s}}=\sqrt{2}E\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})$

其中：R_off-R为晶闸管断态电阻；

可以解得：

$b=-\left\{\mathrm{In}\right[(\frac{R_{\mathrm{off}-R}{I}_{\mathrm{RM}}}{\sqrt{2}E\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})}-1)/20R_{\mathrm{off}-R}\left]\right\}/t_s$

由于在计算b的过程中忽略了一些影响不大的因素，计算的结果略有偏差，精确计算b的值需要利用电路仿真软件建立晶闸管工作电路，通过反复迭代来晶闸管计算b值，迭代的过程附图5所示，迭代步骤为：

(1)确定的k、a的数值。

(2)根据晶闸管参数曲线确定I_RM值，并且初步确定b的取值。

(3)将初步确定的时变电阻模型代入仿真电路，若晶闸管反向电流峰值仿真结果等于I_RM，则结束，否则进行下一步。

(4)若晶闸管反向电流峰值仿真结果大于I_RM，则增大b，返回第(3)步；若晶闸管反向电流峰值仿真结果小于I_RM，则减小b，返回第(3)步。

(5)反复迭代，直至晶闸管反向电流峰值仿真结果等于I_RM。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下优点：

(1)结合晶闸管实际工作电路，提出用描述动植物自然生长过程的Logistic曲线来建立晶闸管反向恢复过程的非线性电阻模型。

(2)用迭代的方法来确定Logistic曲线精确参数。

(3)时变电阻模型可以比较精确地反映晶闸管反向恢复过程中阻抗的变化，并且时变电阻模型可以反映晶闸管整个阻断恢复过程中电阻的变化。

附图说明

图1为晶闸管反向恢复过程中的电流电压波形示意图；

图2为晶闸管反向恢复指数电流模型和双曲正割模型示意图；

图3为Logistic曲线的示意图；

图4为一般情况下的晶闸管工作电路的结构示意图；

图5为求解Logistic曲线b值迭代流程示意图；

图6为根据晶闸管实际工作电路得出的晶闸管反向恢复电压电流波形示意图。

具体实施方式

如附图4所示的晶闸管工作电路，设晶闸管正向电流过零时刻t＝0，电压源输出电压为Usinα＝800V，电感L＝0.101mH，晶闸管电流过零时di/dt＝-7.9A/μs，阻尼电阻值为10Ω，阻尼电容值为1.0μF，查晶闸管参数曲线I_RM＝180A，晶闸管断态电阻R_off＝2.5×10⁵，可得：

$t_s=\frac{180}{7.9}=22.8\mathrm{\μs}$

由于t_s非常小，可以认为在晶闸管恢复阻断的过程中电源电压维持恒定

$b=-\left\{\mathrm{In}\right[(\frac{2.5\×{10}^5\×180}{800}-1)/(5\×{10}^6)\left]\right\}/22.8=1.97\×{10}^5$

时变电阻R(t)为：

$R\left(t\right)=\frac{2.5\×{10}^5}{1+50\×{10}^6{e}^{-1.95\×{10}^{5}t}}$

将上述计算结果代入仿真电路，经过迭代之后得出晶闸管反向恢复过程电压电流仿真波形如附图6所示。

Claims (2)

1.一种新型晶闸管反向恢复暂态模型，其特征在于：采用非线性时变电阻R(t)仿真模拟晶闸管反向恢复过程；

通过对晶闸管反向恢复过程中载流子的运动规律进行分析可知，正向导通的晶闸管在承受反向电压恢复阻断的过程中，晶闸管电阻的变化规律是：晶闸管在承受反向最初一段时间内，其阻值非常小；在之后的一段时间内，晶闸管的电阻值按指数规律迅速增大；当晶闸管电阻值增大到断态电阻值时，晶闸管的电阻值将保持在断态电阻值，这时认为晶闸管恢复阻断；

晶闸管反向恢复过程中电阻值变化规律与动植物自然生长过程非常类似，通常，动植物自然生长规律用Logistic曲线来描述，Logistic曲线又被称为生长曲线，其数学表达式为：

$y=\frac{k}{1+a{e}^{-\mathrm{bx}}}---\left(1\right)$

其中：

x：为时间；

y：表示长度和重量；

k、a和b为常数；

用Logistic曲线建立晶闸管反向恢复过程非线性时变电阻模型，需要确定常数k、a和b的值，此时自变量x仍为时间t，应变量y非线性时变电阻R(t)；

当t足够大时，R(t)＝k，可知k等于晶闸管断态电阻R_off-R；t＝0时，R(t)值非常小，此时指定R(t)为一个非常小的数值，若t＝0时R(t)＝0.05，则：0.05＝R_off-R/(1+a)，a＝20R_off-R-1，由于R_off-R远大于1，故a＝20R_off-R；

时间常数b的确定需要结合实际工作电路，设晶闸管正向电流过零时刻t＝0，电压源输出电压为Usinα，可列出工作电路的KVL方程：

$L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}+U_C+\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{dU}}_C}{\mathrm{dt}}=U\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})---\left(2\right)$

其中：R为晶闸管RC阻尼电路电阻值，C为晶闸管阻尼电路电容值，L为晶闸管工作电路电感值，I为主回路电流值，U_C为阻尼电容电压，ω为电压源频率；

由于在晶闸管正向电流过零后的最初一段时间内，晶闸管的电阻值非常小，可视为晶闸管把RC电路短路，于是上式(2)化简为：

$L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}+U_{\mathrm{thy}}=U\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})---\left(3\right)$

其中：U_thy为晶闸管两端电压；

t_s时刻晶闸管反向电流达到峰值电流I_RM，dI/dt＝0，上式(3)可表达为：

$U_{\mathrm{thy}}=R\left(t\right)I_{\mathrm{RM}}=\frac{R_{\mathrm{off}-R}{I}_{\mathrm{RM}}}{1+20R_{\mathrm{off}-R}{e}^{-{\mathrm{bt}}_s}}=\sqrt{2}U\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})$

其中：R_off-R为晶闸管断态电阻；

解得：

$b=-\left\{\mathrm{In}\right[(\frac{R_{\mathrm{off}-R}{I}_{\mathrm{RM}}}{\sqrt{2}U\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})}-1)/20R_{\mathrm{off}-R}\left]\right\}/t_s---\left(4\right).$

2.如权利要求1所述的晶闸管反向恢复暂态模型，其特征还在于：

由于在计算常数b的过程中忽略了一些影响较小的因素，计算的结果略有偏差，精确计算b的值需要利用电路仿真软件建立晶闸管工作的仿真电路，通过反复迭代来计算晶闸管的常数b值，迭代步骤为：

(1)确定的常数k、a的数值；

(2)根据晶闸管参数曲线确定I_RM值，并且初步确定常数b的取值；

(3)将初步确定的时变电阻模型代入晶闸管工作的仿真电路，若晶闸管反向电流峰值仿真结果等于I_RM，则结束，否则进行下一步；

(4)若晶闸管反向电流峰值仿真结果大于I_RM，则增大常数b的取值，返回第(3)步进行计算；若晶闸管反向电流峰值仿真结果小于I_RM，则减小常数b的取值，返回第(3)步；

(5)反复进行上述的迭代步骤，直至晶闸管反向电流峰值仿真结果等于I_RM为止。

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