(完整版)IGCT电路模型与驱动电路关键技术的研究

基于Saber的高压大功率IGCT器件的建模与仿真研究张新民;李明勇;代科【摘要】According to the characteristics of turn-on process and turn-off process, IGCT＇s functional model is constructed in the paper. The schematics of the model and the parameters are presented in detail, and the model is applied in circuit simulation for the dynamic characteristics of the 1GCT device. With the comparison to experimental waveforms, the effectiveness and practicality of the presented model is validated.%本文根据IGCT开通关断过程中电压电流波形特点,建立IGCT的功能模型。

文中给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的开通关断暂态分析。

通过仿真结果及与实验波形的对比分析,验证了该模型的有效性及实用性。

【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)003【总页数】4页(P41-44)【关键词】IGCT;功能模型;Saber【作者】张新民;李明勇;代科【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064;中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064;中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言由瑞士ABB公司研发的大功率IGCT器件，以其低感的门极驱动电路，优化的可控硅技术，高度集成化，应用简易化等优点，成为中压传动领域，机车牵引，工业，输配电行业的半导体器件的可靠选择[1]。

IGCT的发展、特点及其应用机电081段廷平 200800384121晶闸管IGCT是一种新型电力电子器件,它是将GCT芯片与其门极驱动器以低电感方式集成在一起,综合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点,具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点,而且成本低、成品率高,因此有着广泛的应用前景。

因此,有必要对IGCT器件进行深入的应用研究,并设计一套能够对IGCT器件进行高压大电流测试实验的设备。

本文从IGCT器件出发,介绍了IGCT器件的结构,工作原理,关键技术,IGCT与GTO、IGBT的比较,IGCT的特性参数及门极驱动电路原理。

文章从IGCT器件扩展到整个IGCT模块,对IGCT功率相单元模块进行了计算和仿真分析。

从整体上阐述了IGCT相单元模块的电路原理。

用仿真和计算分析了相单元模块中钳位保护电路对器件开通和关断过程的影响。

分析了相单元电路中杂散电感对器件关断过电压的影响,提出了减小杂散电感的方法。

阐述了反并联二极管对IGCT器件的影响,提出二极管的反向恢复特性对IGCT的关断过电压有较大影响。

在分析IGCT功率相单元模块的基础上,我们设计了一套IGCT功率相单元测试实验平台。

该平台由电源控制柜和器件测试柜组成,在设计中重点考虑了测试试验的安全性和测试功能的多样性。

对该测试实验平台的电路进行了仿真,表明了测试电路的合理性。

根据仿真和计算进行了相关器件选型和测试平台的制作。

最后在测试实验平台上进行了一些初步的IGCT相单元脉冲测试,挑选了一些测试结果,对被测波形进行分析,测试结果表明该测试实验平台的设计是有效和合理的,它能完成对IGCT功率相单元的测试,来辅助IGCT器件进一步研究,为使用IGCT器件取代现有中压变频中H桥单元的IGBT器件打下基础。

一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。

集成门极换流晶闸管（IGCT）———原理及驱动电气信息工程学院自动化10-02班卢靖宇541001010225集成门极换流晶闸管（IGCT）集成门极换流晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors)1997年由ABB公司提出。

该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT 集成于一个整体形成的。

门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。

主要优点是： IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且制造成本低，成品率高，有很好的应用前景。

IGCT、GTO和IGBT的比较：比较的器件及容量为:IGCT----4500V/3000A，GTG---4500V/3000A， IGBT----3300V/1200A。

集成门极换流晶闸管（IGCT）的电气符号二、IGCT的结构和工作原理1.IGCT 的分类按内部结构来分，IGCT可以分成以下三类:(l)不对称型(Asymmetric)在结构上是单纯的PNPN晶闸管结构，器件能正向承受高电压，但不具有承受反向电压的能力，也不能流过反向电流。

一般需要从外部并联续流二极管。

(2)反向阻断型(逆阻型)(Reverse blocking)在结构上是一个PNPN晶闸管与一个二极管的串联，电流只能从一个方向(从阳极到阴极)流通，串联的二级管为这类器件提供了承受反向电压的能力。

(3)反向导通型(逆导型)(Reverse conducting)在结构是一个PNPN晶闸管与一个续流二极管的反向并联，电流可以两个方向流通，不能承受反向电压。

由于GCT与续流二极管集成在同一个芯片上，不需要从外部并联续流二极管，变流器在结构上更加简洁，体积更小。

IGCT技术在电网柔性互联中的应用研究随着电力系统的不断发展和电能消费需求的增长，电网运行面临着越来越复杂的挑战。

为了满足电力系统的灵活性和可靠性需求，电网柔性互联成为了一个重要的研究领域。

在电网柔性互联中，IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）技术被广泛研究和应用，其在提高电力系统灵活性、降低能耗、增强电网稳定性等方面具有巨大潜力。

IGCT是一种具有高电压和大功率特征的功率电子器件。

相较于传统的晶闸管（Thyristor）技术，IGCT技术具有更高的性能和可靠性。

IGCT技术的研究和应用为电网柔性互联提供了新的解决方案。

首先，在电网柔性互联中，IGCT技术可以提供高效能的电力转换。

IGCT器件具有更低的开关损耗和导通损耗，可以实现更高效的电能转换。

通过使用IGCT技术，电力系统在电能转换过程中可以减少能量损耗，提高能源利用率。

其次，在电网柔性互联中，IGCT技术可以提供更高的电力系统灵活性。

IGCT器件具有快速响应和可控性能力，可以实现精确的电能调节和功率控制。

通过改变IGCT器件的工作状态和参数设置，电网可以在不同负荷需求下灵活调整电力输出，以适应不同的应用场景。

此外，在电网柔性互联中，IGCT技术可以提升电力系统的稳定性和可靠性。

IGCT器件具有高耐压和高短路能力，可以在电力系统发生故障时快速响应，并提供稳定的电力输出。

IGCT技术还具有自我保护机制，可以有效提高电力系统的安全性。

在实际应用中，IGCT技术可以被应用于多种电力系统设备。

例如，在柔性交流输电系统中，IGCT技术可以用于高压直流变流器（HVDC）和换流站，实现远距离的电力输送和功率转换。

在电力系统的配电网络中，IGCT技术可以用于智能电网的电压和频率调节，提高电力供应的稳定性和可靠性。

然而，目前IGCT技术在电网柔性互联中的应用还面临一些挑战。

首先，IGCT 技术的成本较高，制约了其大规模应用。

感应加热电源IGBT驱动及保护电路设计摘要本文以感应加热电源IGBT驱动及保护电路为研究对象，阐述感应加热电源的现状与发展趋势、感应加热电源的优点、应用和基本原理。

其中，IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性，易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。

近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，并得到越来越广泛的应用。

本文分析了感应加热电源的总体结构和介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，通过对IGBT的学习，来探讨IGBT在当代感应加热领域的广泛应用和发展前景。

关键词：感应加热电源，绝缘栅双极晶体管，IGBT驱动电路，IGBT保护电路。

Induction heating power IGBT drive and protective circuitdesignABSTRACTBased on the induction heating power IGBT drive and protection circuit as the research object, this paper present situation and the development trend of induction heating power supply, the advantages of induction heating power supply, the application and the basic principle. Among them, the IGBT (insulated gate bipolar transistor) is a kind of composite power field effect tube and the advantage of the power transistor and produce a new type of composite device, it also has a high-speed switching and voltage of the MOSFET drive characteristic and low of the bipolar transistor saturation voltage characteristic, easy to realize large current capacity, not only has high input impedance, working speed, good thermal stability and drive circuit, the advantages of simple and has a low voltage state, the advantages of high voltage and current under the big. In recent years the IGBT as power electronics is particularly outstanding in the field of power electronics, and get more and more widely used.This paper analyzes the overall structure of induction heating power supply, and introduces the basic structure, working principle of IGBT, drive circuit, and briefly summarizes the IGBT module selection method and protection measures, etc., through the study of IGBT, to explore the IGBT are widely used in the field of contemporary induction heating and development prospects.KEY WORDS: Induction heating power supply, insulated gate bipolar transistor, IGBT drive circuit, protection circuit for IGB目录前言 (1)第1章感应加热电源的原理 (2)1.1 感应加热电源的基本知识 (2)1.1.1感应加热电源的优点及应用 (2)1.1.2 感应加热电源的基本原理 (2)1.1.3感应加热中的三种效应和穿透深度 (2)1.2 感应加热电源发展现状及趋势 (3)1.2.1感应加热电源频率划分 (3)1.2.2国外高频感应加热电源发展现状 (3)1.2.3国内高频感应加热电源发展现状 (4)1.2.4感应加热电源的IGBT (4)1.3本文研究的内容及任务 (4)1.3.1课题主要研究内容 (4)1.3.2课题目的和要求 (5)第2章IGBT的基本结构和工作原理 (6)2.1 IGBT的工作特性 (6)2.1.1 IGBT的基本结构 (6)2.1.2 IGBT的工作原理 (8)2.1.3 IGBT的工作特性 (8)2.2 IGBT工作原理 (10)2.2.1 IGBT工作方法 (10)2.2.2 导通 (11)2.2.3关断 (11)2.2.4 阻断与闩锁 (12)2.3 英飞凌FZ400R12KS4 (12)2.4 IGBT驱动电路 (12)2.4.1分立元件驱动电路 (13)2.4.2光电耦合器驱动电路 (13)2.4.3脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 (14)2.4.4专用集成驱动电路 (14)第3章IGBT的保护电路设计 (16)3. 1 IGBT过压保护电路 (16)3.1.1 IGBT栅极过压保护电路 (16)3.1.2 集电极与发射极间的过压保护电路 (17)3.1.3 直流过电压 (18)3.1.4 浪涌过电压 (18)3.1.5 IGBT开关过程中的过电压 (18)3.2 IGBT过流短路保护电路 (19)3.2.1 IGBT过流保护的分类 (19)3.2.2 过流保护检测电路 (20)3.2.3 过流和短路保护措施 (20)3.3 IGBT过热保护电路 (21)3.4 IGBT欠压保护电路 (22)第4章IGBT的驱动电路 (23)4.1 IGBT的驱动要求 (23)4.2 驱动电路的隔离方式 (23)4.2.1隔离的重要性： (23)4.2.2. 集成光电隔离驱动模块HCPL-316J (23)4.2.2器件特性 (24)4.4.3芯片管脚及其功能介绍 (24)4.4.4 内部逻辑电路结构分析 (26)4.5 IGBT驱动电路 (27)第5章辅助直流稳压电源 (29)5.1辅助直流稳压电源方案的选择 (29)5.2本次设计用的电源 (29)5.2.1 18伏, 15伏稳压电压电源 (29)5.2.2 ±12伏，±5伏双路稳压电源 (30)5.2.3 元器件选择及参数计算 (31)第6章功能仿真 (33)结论..................................................................... 错误!未定义书签。

IGCT技术在电力电子器件中的发展及应用前景近年来，随着电力电子技术的迅速发展，多种新型器件被研发出来，以满足电力系统对高效率、高可靠性的需求。

其中，整流器等电力电子器件在能量转换和调节中扮演着重要角色。

IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）作为一种新型功率半导体器件，因其低损耗、高可控性和快速开关速度而备受关注，有望在电力电子器件领域中发挥重要作用。

IGCT技术的发展推动了电力电子器件的革新。

与传统静态功率晶体管（IGBT）相比，IGCT技术具有更低的导通损耗和更高的功率密度。

其独特的特性允许其在高电压和高功率应用中发挥稳定性和可靠性。

IGCT器件的可控性良好，能够实现快速开关和调制，同时具备耐受高温和高电流的能力。

因此，IGCT技术在电力电子器件中的应用前景众多。

首先，IGCT技术在电动汽车领域具备巨大的潜力。

电动汽车作为清洁能源的代表，在未来的交通中将发挥重要作用。

而IGCT技术的应用将带来更高的能量转换效率和更短的充电时间。

IGCT器件的快速开关速度和可控性可以帮助电动汽车实现更好的动力响应和平稳的驱动性能。

此外，IGCT技术还能提供更高的工作频率，使得电动汽车的电池充放电过程更加高效。

其次，IGCT技术可应用于电力系统中的静止补偿装置。

电力系统需要对电压进行调节，以确保供电的稳定性和可靠性。

传统的调压设备往往效率低下，并且容易受到电力质量的干扰。

而IGCT技术的应用则能有效解决这一问题。

IGCT器件具备快速响应和高可控性的特点，可以实现电力系统对电压调节的准确控制。

此外，IGCT技术还能提供较低的电流谐波和更高的功率因数，改善电力质量和系统效率。

此外，IGCT技术在再生能源领域的应用也具备广阔前景。

随着可再生能源的快速发展，电网中的稳定性和可靠性越发重要。

而IGCT技术的高效能量转换性能可以实现对再生能源的更好利用。

例如，风力发电和太阳能发电系统中的电网连接问题可以通过IGCT器件实现更好的功率控制和电压调节。

igct原理IGCT原理解析1. 什么是IGCT？•IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），中文名为集成门控可控晶闸管，是一种用于高压和大电流应用的功率器件。

2. IGCT的结构•IGCT由晶体管和晶闸管结合而成，具有晶体管高速开关和晶闸管高电压承受能力的特点。

3. IGCT的工作原理•IGCT通过控制晶体管的开关行为，实现晶闸管的导通和截止。

IGCT的导通•当控制信号施加在IGCT上时，晶体管的基极电流会导致NPN晶体管区域的P型基区被注入电子，使得NPN结型区导通，从而导致PNP结型区的PNP晶体管导通。

IGCT的关断•控制信号断开时，晶体管的基极电流停止，NPN晶体管区域的P 型基区的电子注入停止，从而导致NPN结型区截至，PNP结型区中PNP晶体管的截至。

IGCT的开关速度•IGCT具有非常短的开关时间，其开关速度通常在纳秒级别，这使得IGCT能够适用于高速开关应用领域。

4. IGCT的特点•混合了晶体管和晶闸管的特性，具有晶闸管的电流承受能力和晶体管的高电压驱动特性。

•低导通压降，能够降低功率损耗，提高能源利用效率。

•开关速度快，可适用于高频和高速开关应用。

•集成化设计，节省了电路空间和组装成本。

5. IGCT的应用领域•可用于可控变流器、高压直流输电、电动汽车等领域。

•在电力系统领域，IGCT可用于柔性交流输电（FACTS）设备，实现电力系统的可控调节和稳定。

以上便是对IGCT原理的简单解析，其结构和工作原理使其在高压高电流应用领域具有广泛的应用前景。

在不久的将来，IGCT有望在能源领域实现更高效的能源转换和管理。

6. IGCT与其他功率器件的比较IGCT与IGBT的比较•IGCT相较于IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）具有更高的电压承受能力和更快的开关速度。

•IGCT适用于高电压高电流应用，而IGBT适用于中低电压应用。

第25卷第1期湖 北 工 业 大 学 学 报2010年2月Vol.25No.1 Journal of Hubei University of Technology Feb.2010[收稿日期]2009-12-15[作者简介]于克训(1961-),男,山东桓台人,华中科技大学教授,研究方向:新型特种电机及其控制,脉冲电源系统等.[文章编号]1003-4684(2010)01-0089-06新型高压大功率器件IGCT 的建模与仿真于克训,任章鳌,娄振袖,潘 垣(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)[摘 要]集成门极换向晶闸管(IGCT )是新型电力半导体开关,具有耐压高、电流大、开关频率高、开关损耗低等优越性能,尤其适用于高压大功率电力电子装置.目前通用电路仿真软件中还没有专门的IGCT 仿真模型,不能满足可靠的仿真性能的要求.基于电力电子器件的物理现象,建立IG CT 模型的方法有:功能模型法、电学模型法、集总电荷模型法和物理模型法等.对上述几种建模方法分别进行了仿真研究后,对比分析各模型开关动作过程和器件内部物理现象,比较它们之间的优缺点,分析出各种模型的适用范围.[关键词]集成门极换向晶闸管;电力电子装置;物理现象;建模;仿真[中图分类号]T M 46[文献标识码]:A集成门极换向晶闸管(IGCT )是ABB 公司基于绝缘栅型场效应功率管(IGBT )和门极可关断晶闸管(GT O)的成熟技术,为满足中等电压、大功率电路要求而设计的功率开关元件.IGCT 采用了4种新技术:缓冲层技术、逆导技术、透明发射极技术以及门极硬驱动技术,具有通态损耗低、开通关断损耗较小、开关时间短等优点,越来越广泛地应用于高压大功率场合[1-5].目前IGCT 的单管容量已达到10kV/4.5kA.由于国内外各类仿真软件(如SABER 、PSPICE 、M ATLAB 和PSIM )都还没有独立的IGCT 仿真模型,这给研究IGCT 模型特点和基于IGCT 的各种工作电路仿真带来很大不便.根据电力电子器件和各类仿真方法所涉及物理现象的不同[6],目前IGCT 被广泛运用的基本仿真方法有:功能型模型法[7]、电学模型法[8]、综合电荷控制模型法[9]、物理模型法[10].本文采用PSIM 软件对IGCT 建模和仿真.PSIM 是针对电力电子和电机控制而设计的仿真软件包,在该软件包中,大部分器件采用的都是理想模型,这些理想器件没有涉及到器件本身的诸多物理特性,模型简单,参数少,为采用子电路法实现功能型模型和电学模型带来了方便.另外,国外学者也对电力电子器件内部的物理现象进行分析和模拟,根据半导体暂态热效应[11]、电荷传导[12]及其漂移相关理论[13]得出等效电路模型及内部电压和电流的物理描述表达式,通过仿真结果和与IGCT 器件本身产品特性比较,上述几种方法都具有一定的适用范围.1 IGCT 的结构和工作原理1.1 IGCT 的结构IGCT 是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管(GCT)的总称.其中GCT 是以GTO 为基础的器件(图1).IGCT 实际上是关断增益为1的GTO,又是把M OSFET 管从器件内部拿到外面来的M CT 管.IGCT 在其阴极串联25只N 沟道M OSFET 管,在其门极串联7只P 沟道M OSFET 管充当ZENER 管的功能,其等效原理如图2所示[14-15]:1.2 ICGT 的工作原理IGCT 的稳态工作原理主要取决于集成门极与GCT 的工作过程.IGCT 处于稳态导通时(图3(a)),它是一个像晶闸管一样的正反馈开关,导通能力强,通态压降小;IGCT 处于关断状态时(图3(b)),GCT 门、阴极的PN 结提前进行反向偏置,并有效地将电流截止,退出工作,整个器件呈晶体管方式工作[16].图3 IG CT 导通与阻断状态下的等效电路2 物理现象首先,不同的电力电子器件所涉及的物理现象不同(表1).表1中并没有提到IGCT ,主要是因为IGCT 的诞生比较晚,相关资料还很不完善,一般认为IGCT 兼有GTO 和IGBT 两者的优点,或者从另一个角度讲,它是体外实现的MCT ,几乎涉及到了所有的基本物理现象.表1 不同电力电子开关器件的基本物理现象二极管BJT晶闸管/GT O M OSFETIGBT /M CT 电阻率调制++++++++++电荷储存++++++-++M O S 电容――――――++++电热+++++崩溃+(++很重要、+重要、0一般、-不重要、――不存在)对于电力电子开关器件所涉及的物理现象,可以用表2对各种仿真方法简单量化总结比较.表2 不同仿真方法的基本物理现象功能模型电学模型综合电荷控制模型物理模型近似求解电阻率调制+++++电荷储存+++++M OS 电容+++++电热+++++崩溃++--+3 IGCT 的建模和仿真对于一种适用于电路仿真的半导体器件模型来说,IGCT 一定是必要的计算精度、所需仿真速度以及模型参数求解难度的有效折中.笔者总结适用于电路仿真半导体器件模型的现状,分析和对比几种建模基本方法,选择所建IGCT 模型的基本方法和实现软件.测试电路均用的是ABB 公司IGCT 产品手册上给出的电路[17],IGCT 的实测仿真波如图4所示.图4 IG CT 的实测电路和关断波形3.1 功能型模型在构建IGCT 功能型模型时,可以将其门极触发简单处理成一个控制信号,不需要输入功率.因此,考察IGCT 的外部特性只需要考察IGCT 的阳极电流和关断电压.所以,IGCT 的功能型模型就是采用在PSIM 下,研究采用子电路法来实现IGCT 器件的功能型模型.此模型主要考虑4大过程:门极信号延时模拟电路;开通、关断稳态模拟电路;开通暂态模拟电路;关断暂态模拟电路.任何电力电子器件都是在驱动信号有一定延时才开始导通和关断,IGCT 也不例外.当IGCT 彻底导通的时候则认为它处于稳态,此时用理想的电压控制电压源和电压控制电流源等器件模拟它的静态特性,开通和关断过程分别用1个二阶状态方程和2个二阶状态方程来等效,选择合适的电路参数即可较为精确地模拟IGCT 开通和关断2个暂态过程.PSIM 仿真电路如图5所示.90湖 北 工 业 大 学 学 报2010年第1期图6 功能型模型的关断仿真波形实现功能型模型的PSIM 仿真波形见图6.该模型将IGCT 每个动作过程都分成子电路来分别实现,不考虑其内部的物理过程,仿真速度快,精度高;缺点是模型结构复杂,子电路模型对器件本身依赖性很高.3.2 电学模型该电学模型为双三极管模型,图7中Q 1、Q 2和Q 3、Q 4各代表一个PN 结单元.电阻R 2、电容C 1形成信号传输延迟环节,用来描述IGCT 器件各单元层间的触发信号传输延迟;电感L 2、L 3描述各单元层间的互感作用;R 4、R 5、R 6用来为三极管的饱和导通和快速关断提供偏置电压;R 3、R 8、R 9表示IGCT 器件阴极和门极之间的连接电阻;R 7、R 10为阴极电阻;L 1、R 1为集成门极电阻和电感.图7 IG CT 电学模型将这种电学模型放在IGCT 测试电路下的PSIM 仿真波形如图8所示.图8 IG CT 关断仿真波形91第25卷第1期 于克训等 新型高压大功率器件IGCT 的建模与仿真该电学模型意义明确,结构简单,仅用电路元件来表征IGCT 的动作,仿真速度快,但是精确度不高,适合用于功率较低的场合.3.3 综合电荷控制模型IGCT 器件的结构如图9.图10为IGCT 工作的等效电路图,D 为箝位二极管,L 1和R L 是负载电感和电阻,GTO 是IGCT 的等效GCT 部分.开关K 1和电容C 1为GCT 提供正向导通信号,开关K 2和电容C 2为GCT 提供反向关断信号.K 3控制通过门极电流的开通和关断.通过控制开关K i (i =1,2,3)的开通和关断就可得到关于P 1N 1P 2晶体管和N 1P 1N 2晶体管的电荷控制模型.当i G =I K 时,P 2N 2结关断,此时图11(a)就为一个二阶状态方程L G d 2U C 2d t2+R G d U C 2d t +U C 2C 2=0,由此可建立IGCT 器件第一阶段的电荷控制方程-Q P 2S a +d Q P 2d t =-U 0L G (P 2-P 1)(e P 1t -e P 2t),或者-Q P 2S a +dQ P 2d t=U 0X L G e -D tsin X t.图11(b)所示,主电流关断进入第二阶段,得到一阶电路方程:L d i d t +Ri =U d ,其中L =L G +L 1,R =R G +R L ,联立上述2个方程即可得到第二阶段的关断电流表达式:-Q N 1S a -dQ N 1d t=-I 0(1-e -L R t).(1)式(1)是结合电力电子器件内外参数的综合电荷控制方程,描述了IGCT 整个关断过程.该电荷模型是以电容来代替PN 结,用电荷移动的状态方程描述IGCT 的动作过程,状态方程的解析解的波形就是器件动作的波形,物理意义明确,但是解析模型算法精度低.图11 主电流关断时IG CT 工作等效电路图3.4 物理模型门极换流晶闸管(GCT )的物理模型是以M etzner 和Vog ler 的GTO 模型作为GCT 模型的基础,运用数值方法求解低掺杂漂移区连续方程(扩散方程).具体的物理建模过程分为以下3个部分:1)缓冲层的建模和电场的动态性能 缓冲层的过剩电荷被认为是一种集总电荷,它由准静态公式建模.在新模型中,缓冲层和漂移区合成一个模块来避免可能出现的收敛问题.假设耗尽区内的电场函数E(x )(呈三角形状)是线性分布,则E(x )的斜率与漂移区的有效掺杂浓度N vef f 成正比.当电场E(x )从耗尽区扩展到n -区和缓冲层结时,E(x )就会从三角形变成梯形.2)雪崩效应的建模 当n -p 结附近的最高电场E 超过临界电场E crit 会导致动态雪崩影响关断过程.该IGCT 新物理模型只含简单的雪崩描述,不用加大仿真效果就能提供足够的精确度.3)迁移率的建模 半导体中载流子的传输是由电子和空穴的电流密度方程共同决定的,即j n =q 0(n L n E +D n 5n 5x )j p =q 0(n L p E -D p 5p 5x).为了获得低温下精确的仿真结果,改新的物理模型中引入M atthiesen 规则,并且采用M natsakanno v 描述的电子空穴散射(EH S)原理:1L p=1L CCS p +1L LI p .此时在漂移区内改进的电压E(x )=j tot q 0(L n +L p )p +j tot q 0L n p p -u T b -1b +11p dp dx.该新型的物理模型有了EH S 描述,产生仿真结果与测量结果相当一致,所以这迁移率新理论可以运92湖 北 工 业 大 学 学 报2010年第1期用在GT O和IGCT的模型当中.运用该物理模型的描述可以得到改进的解析解仿真波形[10].显然,改进的物理模型比单纯的电荷模型精确度要高,考虑IGCT内部的物理过程要更准确,但是解析解的计算也要困难得多.4结论本文给出了4种IGCT建模的有效方法:功能性模型、电学模型、综合电荷模型和物理模型,主要研究仿真IGCT的动态关断特性.结果表明,IGCT 具有开关响应快、功耗低和高压高功率等特点,仿真波形和实测波形有着很好的一致性,造成的误差主要是因为实际电路的杂散电感测量的准确度和模型里面各参数与实际产品的误差.通过采用以上方法对IGCT的建模和仿真分析,对IGCT的开关动作过程和器件内部物理现象进行了深入的研究,并对各模型之间的优缺点进行了比较,得到了各种IGCT仿真模型的适用范围.[参考文献][1]Steimer P K,Gr ning H E,Wer ning er J.I GCT a newemerg ing t echnolog y for high pow er low cost inv er ters[C]//I EEE IA S A nnual M eeting,1997:1592-1599.[2]Y ongsug Suh,Steimer P.A pplicatio n o f IGCT inH ig h Pow er Rectifiers[C]//I EEE IAS A nnual M eet-ing,2008:1-8.[3]L indner S,K laka S Fr ecker M,et al.A new range ofr ev erse co nducting gate commutated thyr istor s fo r highvo ltag e medium po wer application[C]//Conf.Rec.EPE.97,1997:1117-1124.[4]Steimer Peter,Apeldoo rn O scar,Carr oll Eir c,et al.IG CT technolo gy baseline and futur e oppo rtunities[EB/O L].(2002-08-06)htt p://ieeex plo re.ieee.o rg/x pl/f reeabs_all.jsp?arnumber=971429.[5]Stillman H aro ld M.IG CT s-meg aw att pow er sw itchesfo r medium-v oltage applicatio ns[EB/OL].[2000-10-23]http://librar y.abb.co m/G LO BA L/SCOT/scot256.nsf/V 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Functional model,electrical mo del,lum ped charg e model and physical model etc hav e been established based on the phy sical pheno mena o f the pow er electro nic device.In order to be clo se to the characteristics of IGCT to the gr eatest degr ee,in this paper,the abov e modeling methods have been simulated,and a com parative analy sis is m ade about simulation so ftw are PSIM and its physical phenom ena.It has been ver-i fied that the mentioned m ethods above have certain applicability.Keywords:integ rated g ate co mmutated thyristo r(igct);physical phenom ena;pow er electronic dev ice; modeling and sim ulation[责任编校:张众] (上接第71页)Design of Wireless Temperature Measurement SystemBased on Ds18B20and MSP430H UA NG Cong-sheng(I nstitute of Electr ical and Electronic and I nf ormation Eng in.,H uangshi Univ.of T ech.,H uang shi435000,China)Abstract:T his paper introduces the acquisitio n system of the w ireless temper ature,measures the tem pera-ture w ith dig ital temperature sensor DS18B20,pr ocesses data w ith ultra low pow er loss Sing le-Chip MSP430,transmits data w ith the module STE30w ith the low po wer.This system has low co st,high rel-i ability and strong practicability.Keywords:wireless data acquisitio n;temper ature;data transm ission;interface co ntrol[责任编校:张岩芳]。

基于IGCT技术的高效能电力驱动系统设计随着电力行业的快速发展，对高效能电力驱动系统的需求越来越迫切。

针对此需求，基于IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）技术的电力驱动系统逐渐受到关注。

本文将对基于IGCT技术的高效能电力驱动系统设计进行探讨。

首先，我们将对IGCT技术进行介绍。

IGCT是一种集成了门－换流晶闸管的新型功率半导体器件。

相较于传统IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）技术，IGCT技术具有更低的导通压降、更高的耐压能力和更高的开关速度。

这使得基于IGCT技术的电力驱动系统能够在高频率和大功率应用中实现高效能的运行。

接下来，我们将讨论基于IGCT技术的电力驱动系统的设计要点。

首先是设备选择。

在设计IGCT驱动系统时，应选择具有适当电压和电流承受能力的IGCT器件。

此外，还需考虑IGCT模块的热管理，合理选择散热器和散热技术，确保系统稳定运行。

其次是电路设计。

在IGCT驱动系统中，控制电路起着关键作用。

系统的控制电路应能够准确地控制IGCT的开关过程。

通常采用的控制策略包括VCE控制和dv/dt控制。

此外，应合理设计保护电路来避免过电压和过电流的发生，确保系统的安全稳定运行。

另外，系统的滤波电路也非常重要。

滤波电路的设计能够有效地减小系统中的谐波和干扰，提高电力驱动系统的工作效率。

常用的滤波器包括LC滤波器和LCL 滤波器，设计中需根据具体需求选择适合的滤波器结构和参数。

在电力驱动系统设计中，短路保护和过电流保护也是十分重要的考虑因素。

应设置适当的保护装置来检测故障情况，并及时断开电源，以保证系统的安全运行。

常见的保护装置包括过流保护器、熔断器和接地保护装置。

此外，电力驱动系统的能量回馈也是需要考虑的一个重要因素。

在系统设计中，应合理利用IGCT技术的特点，将由IGCT产生的反馈能量回馈到电力网络中，提高系统的能量利用效率。