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用于大功率变流器的IGCT功能型模型 1绪论 电力电子装置是电力电子学和其应用设备的基础。再最近的40年里，从SCR，GTO（门关断晶闸管），IGBT（隔离门双极晶体管），电力半导体经过了连续的发展。MCT（MOSFET控制晶闸管）曾经被预测是电力电子装置在新世纪的主要驱动力，因为其复杂的技术，低的生产合格率和高成本已经被主要的企业放弃了。MCT的流产，引起了高电压装置的一系列的竞争，IGCT就是这个时期出现的。尽管它只是一种初生的装置，但在高电压装置重已经起了很重要的作用了，例如可调节的速度驱动，ASVG，FACTs，等等装置。 基于不同的仿真方法，产生了各种各样的IGCT的模型，例如功能模型，近似的解决方法，数字解决方法，等等，其仿真的工具也不同，如：SABER，PSPICE，SIMEN，PSIM等。这篇文章所描述的IGCT是在功能水平上的。我们把它当作一个“黑箱”，描述其外部能够观察到的行为，不细节性的考虑装置内部发生的物理上的影响。这个模型在要求仿真速度和决定参数的可行性上做了有效的折中，这样很适合仿真和装备IGCT的变流器的计算机辅助设计。 2机构和工作原理 IGCT是集成门驱动电路和门换向晶闸管（GCT）的总称。以4500V/2000A的IGCT为例，25个N沟道MOSFET在阴极串联，7个P沟道的MOSFET在门极起齐纳击穿的作用。等效图见图1。 简要的说，IGCT的开关装置和GTO的相同，但是关断装置很不一样。当IGCT开通时，N沟道MOSFET随着GCT同步开通。当IGCT关断，门极P沟道MOSFET首先开通，使部分的主电路电流从阴极换向到门极。然后，阴极处的N沟道MOSFET关断，使整个电流通过门极。这个传递大概需要1秒完成。GCT的门极和阴极间的PN极将反向阻断，有效的退出工作。使得IGCT成为一个没有基极的晶体管，关断一律象晶体管一样没有任何的载波收缩效应。类似GTO，IGCT的关断也有拖尾时期。 3 IGCT的结构 3．1 开通和关断延迟的仿真 在模型中有四个主要部分，开通和关断延迟辅助电路，开通和关断的稳态辅助电路，开通仿真和关断仿真辅助电路。下面用5SHX08F4502型IGCT为例，阐述IGCT的GCTBU部分，二极管部分没有被考虑。GCT的主要的参数在表1中列出。 总的来说，通过在功能模型中的延迟和逻辑电路的认识，IGCT的开通和关断时间是不变的。 3．2 通断状态的仿真 当IGCT再导通状态，端电压可以通过式（1）表示，在式中V，。在这个模型中都被忽略。 (1) 当IGCT在关断状态时，重复峰值电流低于20mA，通常被忽略为零。因此在两个稳态中，IGCT分别被仿真为零电压和零电流。然而理想的开关，开关逻辑和被控电压，电流源被使用，以至于给导通和关断瞬态相同的重视。相关的辅助电路在图2（b）中阐述。图中，S1，S2，S3都是理想开关。VCVS是电压控制电压源，在IGCT的导通状态下输出是0V。VCCS是电压控制电流源，在关断状态下输出是0A。是延时触发信号用于调节两个被控电源的相互活动时间。VCVS和VCCS分别在开通和阻断状态中起作用。和是来自于端电压和正电流传感器的信号。 3．3 开通时的仿真 在这个模式下的开通和关断，能被独立的模拟仿真。在开通期间，一个类似的电压用于控制VCVS模拟IGCT的开通端电压，决定于延时门信号和IGCT的电压传感器。辅助电路在图2（c）中给出。 在图2（c）中，被给定IGCT导通时的端电压的值。是一个延时门信号。VP和VN是两个输入端，在这个两个之间压降通过 当IGCT导通，即=1，辅助电路等效于一个二阶电路，等效方程如2中给出。电容电压为状态参数。 （2） 因此： 　 　（3） 这里 ，　　　　 (4) ，　 (5) ， (6) (7) (2)-(7)式在，的条件下，IGCT的导通动态过程可以被仿真。在这些条件下，即使当IGCT在稳态下，上电压为零。 3．4 关断仿真 在IGCT关断状态动态过程中，一个类似的电压用于控制VCCS控制关断IGCT的正向电流，决定于门信号和正向电流传感器。辅助电路在图2（d），比辅助开通动态电路复杂的多，由于IGCT关断过程中的复杂的正向电流。 在图2（d）中，被给定IGCT在关断时的正向电流的值。是一个门延时信号。IP和IN是两个输入端，在这个两个之间压降通过。 当IGCT关断，即=1，这个辅助电路可以被两个二阶方程。基于合理的参数选择，当IGCT在关端稳态，的电压衰减到零在关端和保持为零的两个正弦部分。 3．5 参数选择 根据物理特性，表1IGCT的参数和上面的等效的描述，主要的参数在表