適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型研究

徐延明，趙成勇，周　飛，徐　瑩，劉啟建

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102200）

適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型研究

徐延明1，趙成勇1，周飛2，徐瑩1，劉啟建1

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206；2.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京102200）

高壓IGBT與二極管構成IGBT模塊已經廣泛應用于柔性直流輸電技術領域。然而現(xiàn)有仿真研究難以模擬IGBT模塊中IGBT與二極管各自詳細開關暫態(tài)特性及相互影響，因此提出一種適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型及其參數(shù)通用提取方法。模型采用機理推導、電氣等效、曲線擬合等方法在PSCAD、SABER等電路仿真平臺實現(xiàn)，無需獲取器件底層參數(shù)和求解復雜物理方程，不僅可以實現(xiàn)電路仿真中IGBT模塊的各種運行狀態(tài)，而且可以在納秒級步長下模擬其電壓電流尖峰、拖尾電流、米勒平臺等開關暫態(tài)特性。通過與SABER中通用模型仿真結果及實驗實測波形對比分析，驗證了IGBT模塊暫態(tài)模型和參數(shù)提取方法的正確性和通用性，為進一步將模型應用于柔性直流輸電系統(tǒng)仿真、電磁干擾及損耗分析、控制策略等研究打下基礎。

絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）；二極管；參數(shù)提?。粫簯B(tài)模型

引言

當前，IGBT與二極管構成IGBT模塊已經廣泛應用于柔性直流輸電技術領域，如電壓源換流器型直流輸電、靜止無功補償器等，對于其開關暫態(tài)過程的研究及建模越來越重要［1-4］。建立適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型，對變換器的安全可靠運行和電氣性能優(yōu)化具有重要的指導意義［5-7］。

目前，在電力電子器件的建模研究中，主要采用機理模型和行為模型兩大類［8-15］。機理模型其典型代表有：Hefner模型［8］、Kuang Sheng模型［9］和Kraus模型［10］，底層器件參數(shù)獲取困難，且模型含有復雜的半導體物理方程，計算量大，存在計算收斂等問題；行為模型相對仿真速度比較快，但是只考慮器件外特性，物理概念不清楚，參數(shù)不易調整，模型通用性相對較差［11］。

文獻［2］提出一種適用于復雜電路IGBT模型，但是其建模過程和參數(shù)提取涉及求解超越方程，較為復雜且未對二極管特性進行建模；文獻［12］建立了數(shù)值模型，但是多基于數(shù)學分析擬合時域表達式，器件物理特性及參數(shù)概念不清晰且模型通用性較差；文獻［13］搭建了IGBT開關特性離線測試系統(tǒng)，但是其側重于準確測量器件特性并未對IGBT及二極管的暫態(tài)特性及參數(shù)提取進行詳細分析。

現(xiàn)有文獻對IGBT開關過程的研究分析各有不足，鮮有考慮二極管特性影響。本文從IGBT和二極管的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性出發(fā)，分階段詳細研究了IGBT模塊開通關斷過程，結合電路仿真分析特點，避開器件底層參數(shù)獲取以及求解半導體物理方程，建立了適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型并提出基于器件手冊的模型參數(shù)通用提取方法。模型綜合考慮尖峰電流電壓、米勒平臺、拖尾電流、二極管反向恢復等影響，在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺實現(xiàn)，通過與SABER通用模型仿真以及實測波形對比來驗證模型的精確性及通用性。

1　IGBT暫態(tài)模型

IGBT暫態(tài)模型由連接成偽達林頓結構的雙極性PNP晶體管BJT（bipolar junction transistor）、驅動它的N溝道MOSFET、各極間寄生電容和柵極內阻組成，如圖1所示。相關參數(shù)見表1。

圖1　IGBT暫態(tài)等效模型Fig.1　IGBT transient equivalent model

表1　IGBT寄生電容及內阻Tab.1　Parasitic capacitor and resistor of IGBT

IGBT導通時，其雙極性結構中有空穴和電子2種導電載流子，內部有2個電流通路：① 電子流動產生的電流通路In，對應于MOSFET結構；②空穴流動產生的電流通路Ip，對應于BJT結構。

1.1MOSFET-BJT模塊

IGBT特性主要由MOSFET和BJT決定，而MOSFET的跨導Kp和BJT的電流增益β參數(shù)提取涉及器件底層參數(shù)較難獲得，機理復雜。因此，本文基于器件手冊上提供的IGBT模塊輸出特性曲線，采用壓控電流源來模擬MOSFET與BJT的特性，建立MOSFET-BJT模塊。

IGBT的輸出及轉移特性曲線與MOSFET較為相似。因此，建立模型時可以參考研究相對成熟的MOSFET模型再結合BJT的特性，即可相對準確地模擬IGBT特性。

基于器件手冊中相關IGBT特性曲線，隨著柵射極電壓Vge、閾值電壓VT及集射極電壓Vce之間數(shù)值關系變化，IGBT器件將工作于不同狀態(tài)，用相應的電壓電流解析表達式近似描述對應的特性。

（1）當Vge＜VT時，IGBT工作于截止區(qū)，不導通。

（2）當Vce＜Vge-VT時，IGBT工作于飽和區(qū)，流過MOSFET的電流表達式為

（3）當Vce＞Vge-VT時，IGBT工作于放大區(qū)，流過MOSFET的電流表達式為

由于通過BJT的電流機理分析需要涉及復雜的載流子波動方程，采用電氣等效簡化，基于電路仿真要求，根據(jù)BJT的特性近似得到

因此，MOSFET-BJT模塊可采用壓控電流源來模擬IGBT模塊的通態(tài)電流Ic，其解析表達式為

式中：K為等效跨導，（K=（1+β）Kp）；VT為門檻電壓。參數(shù)的提取基于器件手冊。

在IGBT關斷暫態(tài)過程中，由于IGBT存在BJT，基區(qū)大量過剩載流子復合需要時間，使得關斷電流會有較長的拖尾時間。在計算中，模型關于關斷拖尾電流部分等效可用指數(shù)衰減函數(shù)描述，其拖尾電流Itail近似表達式為

式中：τ為少數(shù)載流子壽命即拖尾時間常數(shù)；t為拖尾起始后仿真時間；t0為拖尾電流起始時刻。關斷過程中，當Vge小于門檻電壓時開始拖尾，此時集電極電流為拖尾起始電流Itail0。將式（5）按條件添加至式（4）中，即得完整的MOSFET-BJT模塊。

1.2寄生電容模塊

IGBT極間寄生電容有2種類型：一種是與MOS結構有關的MOS電容，如Cge和Cgc；另一種是與PN結有關的電容，如Cce。由于寄生電容模擬也需要涉及半導體物理層面參數(shù)，且暫態(tài)過程變化較為復雜，本文基于器件手冊電容特性曲線，對暫態(tài)過程各極間寄生電容隨極間電壓變化進行分析，建立寄生電容模塊。

IGBT暫態(tài)過程中近似認為Cge與Cce為定值電容。當接入驅動電路時，為了保持柵極電壓的穩(wěn)定，在柵極和集電極間并聯(lián)電容Cgc，包括IGBT內部交疊氧化電容Coxd和耗盡層電容Cdep，其中Coxd近似固定，而Cdep隨柵-集極耗盡層寬度即柵集極間電壓大小而變化，其表達式為

柵-集極間電容Cgc的近似表達式為

2　二極管暫態(tài)模型

二極管從正向導通轉變?yōu)榉聪蜃钄喾Q為反向恢復。當正向導通的二極管外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，該二極管并不能立即關斷，而是需要清除掉PN結兩側儲存的大量少子才能獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。在關斷前，有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

目前，電力二極管模型可以分為兩類：機理模型和行為模型。機理模型通常由許多數(shù)學等式和參數(shù)組成，參數(shù)復雜且難于提取與仿真；行為模型由電氣等效電路組成，不直接反映器件內部物理參數(shù)及特性，適用于電路仿真。本文先分析二極管反向恢復過程，再結合現(xiàn)有模型特點，采用行為模型的思路，基于器件手冊，建立相應的二極管暫態(tài)模型。

如圖2所示為二極管反向恢復特性及暫態(tài)模型，由理想二極管、RL并聯(lián)電路及壓控電流源組成。其中，IF為正向電流，Rf為正向通態(tài)電阻，dif/dt為二極管正向電流斜率，trr為二極管反向恢復時間，Irm為反向恢復電流峰值，Qrr為反向恢復電荷量，RL并聯(lián)電路參數(shù)，用于模擬反向恢復時間常數(shù)。

圖2　二極管反向恢復特性及模型電路Fig.2　Diode reverse recovery characteristics and transient model

二極管反向恢復過程如下。

當0＜t＜t0時，輸入電壓由正向變?yōu)榉聪?，正向電流開始下降，速率由反向電壓和電路中的電感決定，而管壓降由于電導調制效應基本變化不大。至t0時刻正向電流降為0。

當t0＜t＜t1時，二極管PN結兩側少子在外加反向電壓的作用下被抽取出電力二極管，流過較大的反向電流。電感兩端電壓（VL=Ldif/dt），通過壓控電流源產生反向電流。直至t1時刻電流達到峰值Irm，空間電荷區(qū)附近少子抽盡，管壓降變?yōu)樨摌O性。

當t1＜t＜t2時，模型中并聯(lián)RL電路產生一以指數(shù)衰減的電流，時間常數(shù)τre=L/R，反向電流從峰值Irm開始下降，空間電荷區(qū)開始迅速展寬，二極管開始重新恢復對反向電壓的阻斷能力。直至t2時刻電流近似降為0，反向恢復過程結束。

3　IGBT模塊開關過程分析

如圖3所示為二極管箝位的阻感性負載電路。這是IGBT最常見的應用電路，也是常用于器件測試的通用測試電路。其中Ls為等效雜散電感，F(xiàn)WD 為IGBT模塊內反并聯(lián)續(xù)流二極管，LL為感性負載，Ug為驅動電壓源，RG為柵極外阻。本文將基于該電路對IGBT模塊進行測試，并對其開通關斷過程分段詳細分析，開關波形如圖4所示。

初始時刻IGBT導通，電路處于穩(wěn)態(tài)。t0時刻柵極驅動電壓Ug輸出0 V，IGBT開始關斷，二極管續(xù)流，t6時刻Ug輸出+15 V驅動IGBT導通。

圖3　IGBT開關過程仿真電路Fig.3　IGBT switching process simulation circuit

圖4　IGBT開關波形Fig.4　IGBT switching waveforms schematic

（1）關斷過程

t0時刻，Ug輸出0 V，寄生電容Cge和Cgc開始放電，Vge按（RG+Rg）（Cge+Cgc）時間常數(shù)開始下降，這一過程為關斷延遲時間，電壓Vce及電流Ic不變；t1時刻，Vge剛能維持集電極正常工作電流水平，進入米勒平臺，IGBT進入放大區(qū)開始關斷。Vce開始上升，其速率由Vge/（Cgc（RG+Rg））決定；t2時刻，升至母線電壓Vcc，隨著IGBT關斷，電流Ic迅速下降，雜散電感Ls兩端感應電壓，從而Vce出現(xiàn)關斷尖峰電壓；t3時刻，Vge降至門檻電壓VT，IGBT關斷，Ic開始拖尾衰減至0，Vce升至穩(wěn)態(tài)電壓，電流換路至續(xù)流二極管，關斷過程結束。

（2）開通過程

t4時刻，Ug升至+15 V，Cge和Cgc充電，Vge上升，這過程為開通延遲時間，Vce及Ic不變；t5時刻，Vge達到VT，IGBT開始導通，Ic隨著Vge增加而上升；t6時刻，Ic升至負載電流，二極管FWD開始反向恢復過程，Ic出現(xiàn)開通尖峰電流。由于續(xù)流二極管電壓箝位作用，Ice基本不變，只是受雜散電感影響，略有下降；t7時刻，F(xiàn)WD達到反向恢復峰值電流，開始近似指數(shù)衰減，其電壓迅速下降至截止電壓，箝位作用消失，Vce迅速下降，Cgc增大，出現(xiàn)米勒平臺；t8時刻，電壓電流進入穩(wěn)態(tài)，米勒平臺消失，電容Cge繼續(xù)充電，Vge繼續(xù)上升至15 V，開通過程結束。

4　模型參數(shù)提取及模型實現(xiàn)

由于IGBT模塊暫態(tài)模型參數(shù)直接測量比較復雜，通常使用外特性來對模型參數(shù)進行提取。本文模型參數(shù)將避開器件底層難獲取的參數(shù)以及求解復雜物理方程或復雜參數(shù)提取實驗，主要通過理論推導、經驗公式、器件手冊和測量數(shù)據(jù)來提取。將以三菱公司生產的CM450DXL-34SA型1.7 kV/450 A-IGBT模塊為例，介紹模型關鍵參數(shù)的提取方法以及模型實現(xiàn)。

4.1IGBT暫態(tài)模型參數(shù)提取

（1）等效跨導K及門檻電壓VT參數(shù)

由式（4）知，當IGBT處于放大區(qū)時，電流兩邊取根號，可得

根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊的輸出特性曲線Ic-Vce，在飽和區(qū)內，在同一Vce下，讀取數(shù)據(jù)，繪制相應曲線。根據(jù)曲線斜率和截距即可提取K和VT，如圖5所示。同理，當IGBT處于飽和區(qū)時，得

根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊的輸出特性曲線，在線性區(qū)，在同一Vce下，讀取數(shù)據(jù)，繪制Ic/Vce與Vge曲線。根據(jù)曲線斜率和截距即可提取K和VT。

圖5　跨導及門檻電壓提取Fig.5　Extract of transconductance and threshold voltage

（2）寄生電容參數(shù)

寄生電容機理推導公式中包含柵-集極交疊面積、基區(qū)參雜濃度等復雜參數(shù)較難獲取。本文模型根據(jù)器件手冊上電容特性來提取寄生電容參數(shù)。在數(shù)據(jù)手冊中，輸入電容Cies、輸出電容Coes和反饋電容Cres是應用中常用的參數(shù)，其關系為

根據(jù)器件手冊上電容特性曲線，采用高階多項式及雙曲函數(shù)進行分段擬合，獲取近似表達式，再根據(jù)式（10）提取寄生電容參數(shù)，如圖6所示。

圖6　IGBT寄生電容特性Fig.6　IGBT parasitic capacitance characteristic

（3）拖尾電流起始值Itail0及時間常數(shù)τ

由上文分析，當Vge＜VT時器件關斷，將此時集電極電流作為拖尾起始電流Itail0。拖尾時間常數(shù)τ由穩(wěn)態(tài)特性和關斷過程中拖尾電流共同決定，本文通過SABER通用模型仿真或實驗測得關斷過程拖尾時間Ttail，則τ近似取Ttail/4。

（4）柵極外阻參數(shù)

IGBT驅動電路中，柵極外阻RG可以控制脈沖上升沿和下降沿的斜率。如果阻值小，則充放電較快，能減小開關時間和開關損耗，避免誤導通；阻值大，則充放電較慢，開關時間和開關損耗增大。通常RG參數(shù)的選取根據(jù)實際要求在器件數(shù)據(jù)手冊給定的范圍內，選擇合適值，本模型選擇為6 Ω。

4.2二極管暫態(tài)模型參數(shù)提取

二極管暫態(tài)模型的基本參數(shù)可由相應器件數(shù)據(jù)手冊提取。本文主要分析模型的反向恢復特性參數(shù)提取。根據(jù)機理推導［15］，可得

式中，τre為反向恢復衰減時間常數(shù)。R和L取值存在一個自由度，電感L可作為探針測量反向恢復受控電流源電流變化大小，通常取值較小以使電感電壓相比于二極管正向通態(tài)電壓可以忽略不計，減小影響。參考文獻［15］，可取L＝10 pH。R根據(jù)式（11）取相應值即可。

通過Matlab中采用高階多項式擬合二極管VI曲線，可得本模型Rf取值為0.011 8 Ω。

根據(jù)器件手冊可得trr為300 ns，Qrr為17 μC可提取本文模型反向恢復參數(shù)Irm為0.113 kA，dif/ dt為756 000 kA/s，τre為0.065 μs。

4.3IGBT模塊暫態(tài)模型實現(xiàn)

采用上文所述的IGBT模塊暫態(tài)模型通用建模及參數(shù)提取方法，在PSCAD、SABER等仿真軟件中編寫程序代碼即可實現(xiàn)。

在PSCAD中分別搭建IGBT暫態(tài)模型與二極管暫態(tài)模型組成IGBT模塊暫態(tài)模型，如圖7所示。其中，Rs、Ls分別為IGBT內部雜散電阻和電感，其值根據(jù)IGBT器件手冊可得。

封裝后的IGBT電路結構模塊對外引出3個電極G、C、E與主電路連接，其內部結構由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內阻、等效電流源和二極管反向恢復電路組成。用軟件模塊采集各節(jié)點電壓和支路電流值輸入給模型自定義參數(shù)模塊，包括寄生電容、MOSFET-BJT和二極管模塊，由柵極G引入驅動電壓信號，實現(xiàn)對IGBT模塊工作狀態(tài)和各極電壓電流的控制。

圖7　IGBT模塊暫態(tài)模型Fig.7　IGBT module transient model

5　模型應用及仿真驗證

IGBT模塊暫態(tài)模型的仿真驗證工作將首先驗證IGBT和二極管暫態(tài)模型的正確性，然后再對模塊整體模型進行仿真，并通過與SABER軟件內通用模型庫仿真結果以及權威文獻實測波形相對比，進一步驗證模型可行性。

本文以三菱公司CM450DXL-34SA 1.7kV/450 A IGBT模塊為例，采用上述模型參數(shù)提取方法，仿真步長取5 ns，模型關鍵參數(shù)如表2所示，其中仿真工況與器件手冊數(shù)據(jù)測試工況相同。

表2　IGBT模塊暫態(tài)模型參數(shù)Tab.2　Parameters of IGBT module transient model

5.1IGBT暫態(tài)模型仿真

采用表2模型參數(shù)，在PSCAD中，將IGBT暫態(tài)模型與負載及電源串聯(lián)，通過柵極驅動信號控制IGBT通斷，獲得IGBT開通關斷相應暫態(tài)波形。

模型仿真結果如圖8所示。在納秒級仿真步長下，可看到明顯米勒平臺和拖尾電流，由于未加入雜散電感、續(xù)流二極管等，故沒有尖峰電壓電流暫態(tài)現(xiàn)象。IGBT暫態(tài)模型關鍵參數(shù)的仿真結果如表3所示，其數(shù)值與器件手冊的理論分析結果基本相符，誤差在可接受的范圍內，基本驗證了暫態(tài)模型的有效性。

表3　IGBT暫態(tài)模型關鍵參數(shù)仿真結果Tab.3　Key parameters simulation results of IGBT transient model

圖8　IGBT暫態(tài)模型測試波形Fig.8　Test waveforms of IGBT transient model

5.2二極管暫態(tài)模型仿真

采用表2模型參數(shù)以及器件手冊中相應數(shù)據(jù)測試工況（1 000 V電壓源，450 A通態(tài)電流，阻感性負載等），在PSCAD中，將二極管暫態(tài)模型與負載及受控電壓源串聯(lián)，改變電壓源輸出電壓，控制二極管關斷，獲得反向恢復電流波形。

模型仿真波形如圖9所示。當二極管由導通變?yōu)殛P斷，電流下降到0后，開始反向恢復過程，與理論分析過程相符。二極管暫態(tài)模型關鍵參數(shù)結果如表4所示，其中電流下降速率、反向恢復峰值電流、時間等參數(shù)與器件手冊的理論值基本相符，誤差在可接受范圍內，基本驗證了二極管暫態(tài)模型的有效性。

表4　二極管暫態(tài)模型關鍵參數(shù)結果Tab.4　Key parameters simulation results of diode transient model

圖9　二極管暫態(tài)模型測試波形Fig.9　Test waveforms of diode transient model

5.3IGBT模塊暫態(tài)模型仿真

（1）與SABER通用模型仿真對比

SABER仿真軟件是當今世界上功能強大的電力電子仿真軟件之一。它有豐富的通用模型庫，模型多基于機理模型理論，選擇IGBT1通用模型和帶反向恢復二極管模型，根據(jù)相應器件手冊輸入相應參數(shù)，即可較準確的模擬IGBT及二極管的特性，與器件實際特性相比，其精度及模型有效性較好，可作為參照驗證本文模型有效性。

IGBT模塊暫態(tài)模型仿真電路采用二極管箝位的阻感性負載電路，續(xù)流二極管用IGBT模塊代替，仿真波形如圖10所示。其中RG為柵極外部電阻取6 Ω，LL為感性負載取50 μH，RL為負載電阻取2.2 Ω，外部電壓Vcc為1 kV，IGBT模塊內部參數(shù)如第5.1節(jié)所述。

圖10　IGBT模塊暫態(tài)模型仿真電路Fig.10　IGBT module transient model test circuit

兩路柵極驅動信號Ug1和Ug2通過輸出+15 V 與0 V來分別控制IGBT1模塊和IGBT2模塊的工作狀態(tài)。仿真電路中，Ug1恒定為0 V，即IGBT1保持關斷，只起續(xù)流二極管作用?？刂芔g2輸出電壓，+15 V或0 V先導通IGBT2模塊，對負載電感LL充電，將電路電流升至450 A，再關斷IGBT2模塊得到其關斷電流和電壓暫態(tài)波形，負載電感通過IGBT1模塊中二極管續(xù)流，再開通IGBT2模塊得到相應的開通電壓電流暫態(tài)波形來測試模型穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，仿真結果如圖11和表5所示。

圖11　IGBT模塊暫態(tài)模型與SABER仿真波形Fig.11　Simulation waveforms comparing with IGBT module transient model and SABER

表5　IGBT模塊暫態(tài)模型關鍵參數(shù)仿真結果Tab.5　Key parameters simulation results of IGBT module transient model

由仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，本模型能較好地反映尖峰電壓電流、米勒平臺、拖尾電流、二極管反向恢復等暫態(tài)特性，且與SABER通用模型仿真結果、器件手冊數(shù)據(jù)及理論分析結果基本相符，由此驗證了IGBT模塊暫態(tài)模型的有效性。由圖11（d）誤差曲線可見，本模型與SABER中詳細模型的仿真誤差在開關暫態(tài)時較大，仍小于5%，符合要求。

（2）與實驗實測波形對比

為了進一步驗證本文模型建模方法的通用性，因器件實驗測試平臺尚未搭建完成，本文以文獻［12］中600 V～6.5 kV電壓等級的IGBT實驗實測結果作對比，仿真驗證模型有效性。實驗采用IGBT型號為SGH40N60，續(xù)流二極管的型號為HFA25 TB60，Vcc=100 V，開關頻率為10 kHz，占空比為0.5，濾波電感為4 mH，可調電阻的調節(jié)范圍為0～15 Ω。根據(jù)相應型號器件手冊，提取并修改相關模型參數(shù)，采用文獻［12］測試電路及方案，基于通用建模算法，在PSCAD中搭建IGBT模塊暫態(tài)模型對比仿真電路，獲取暫態(tài)波形進行分析。

仿真結果如圖12所示。實測波形基于機理且有實際裝置信號干擾毛刺，而本模型基于半機理半行為模型，較為理想，有一定誤差，尖峰及拖尾電流波形基本與實驗實測結果吻合。

圖12　IGBT模型與文獻實驗實測波形對比Fig.12　IGBT model waveforms comparing with document experiment measured

6　結論

（1）本文針對IGBT模塊應用場合，基于現(xiàn)有模型研究，詳細分析了IGBT和二極管的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性，采用機理推導、電氣等效、曲線擬合等方法，綜合考慮模型準確度和仿真速度，提出了一種適用于電路仿真的IGBT模塊暫態(tài)模型。

（2）與現(xiàn)有模型相比，本文模型由機理推導，物理概念清晰，將IGBT的暫態(tài)特性與二極管的反向恢復特性相互影響綜合考慮，結果真實可靠；避免了復雜的物理方程，參數(shù)顯著減少且容易提取，根據(jù)器件手冊即可確定；模型參數(shù)易調整，適用于不同IGBT型號及高壓應用場合。

（3）以具體型號的IGBT模塊為例，提出了模型的詳細電路結構和關鍵參數(shù)提取方法，并在PSCAD上搭建模型仿真實現(xiàn)，與SABER通用模型仿真結果及文獻實驗實測波形對比，結果基本吻合，驗證了模型有效性。模型可以滿足電力系統(tǒng)仿真需求，較為準確的反應相關暫態(tài)特性，可作為器件選型設計、損耗分析、控制保護系統(tǒng)研發(fā)的依據(jù)。

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Research on IGBT Module Transient Model for Circuit Simulation

XU Yanming1，ZHAO Chengyong1，ZHOU Fei2，XU Ying1，LIU Qijian1
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102200，China）

The IGBT module which is composed of an insulated gate bipolar transistor（IGBT）and anti-parallel diode has been widely applied to the technical field of flexible HVDC.The existing IGBT models from literatures are rather difficult to simulate the switching transient and mutual influence of IGBT and diode.To solve this problem，an IGBT module transient model for circuit simulation is proposed and the general extraction methods of the key parameters are provided as well.The proposed model is respectively implemented on platforms including PSCAD/EMTDC，SABER，etc，using the theoretical analysis，electric equivalence，curve fitting and other means.The proposed model does not need to obtain underlying device parameters and solve the complex physical equations.It can achieve different states of IGBT module in circuit simulation and simulate the voltage and current spikes，tail current，miller platform and other characteristics.The accuracy and versatility of the IGBT module switching transient model are verified by comparing the simulation results from PSCAD with that from SABER and experimental results successively.The proposed model makes a foundation for further application research on flexible HVDC system simulation，loss analysis and control strategy optimization.

insulated gate bipolar transistor（IGBT）；diode；parameter extraction；transient model

徐延明

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.28

TN335

A

徐延明（1990-），男，通信作者，碩士，研究方向：直流輸電，E-mail：xu_yanming @outlook.com。

趙成勇（1964-），男，教授，博士生導師，研究方向：高壓直流輸電，E-mail：chengyongzhao@ncepu.edu.cn。

周飛（1981-），男，碩士，高級工程師，研究方向：柔性直流輸電，E-mail：zhoufei @geiri.sgcc.com.cn。

徐瑩（1991-），女，碩士，研究方向：柔性直流輸電，E-mail：1558849680@qq.com。

劉啟建（1990-），男，碩士，研究方向：柔性直流輸電，E-mail：lqjsum@foxmail.com。

2015-10-27

國家自然科學基金資助項目（51177042）；國家電網(wǎng)公司科技資助項目（SGRI-DL-71-13-001）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51177042）；State Grid Corporation of Science and Technology Project（SGRI-DL-71-13-001）