1 引言
电力电子器件仿真建模.按描述器件的简繁程度大致分三种类型:第一类是仅描述电力电子器件的开通、关断等基本外部特性，这类模型包括理想开关模型和双值电阻模型;第二类从器件的外部特性出发，除了描述开通、关断等基本特性外.还描述器件的开通时间、关断时间等，常设计一个具有该特性的集总参数电路作为模拟器件外部特性的模型,第三类从描述器件内部的详细物理机理和过程，推导出相应的非线性方程组，其对应的电路即是器件的模型。本文以文献[1]为基础，应用PSPICE仿真软件，从外部特性利用功能模拟的方法建立了IGBT的PSPICE仿真的直流模型和动态模型，并对400A/1200V IGBT进行了直流特性和动态特性的仿真分析，旨在探索建立新型大功率电力电子器件仿真模型的方法。
2 IGBT的PSPICE仿真模型
绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolaTransistor)简称IGBT，是一种通过栅级驱动电压来控制的开关晶体管。IGBT集MOSFET高速开关和低驱动功率与BIT低开关损耗的优点于一身，器件的结构和工作原理与MOSFET相似，只是在VD-MOS的基础上再增加了一个P+层。IGBT与MOS-FET的传输特性完全相同，该曲线在电诚输出范围中几乎是线性的，仅在栅一射电压达到闭值电压处呈现非线性。IGBT与BJT在输出特性方面的不同主要在控制参数，前者是电压控制型。后者是电流控制型。N沟道IGBT是以PNP型BJT作为主导元件，以N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件，其等效电路如图1所示。
2 .1 直流特性仿真模型的建立
由IGBT的输出特性可以看出其输出电流仅取决于驱动电压，基于这个事实，在截止区、线性区、饱和区中描述MOSFET的方程均可在IGBT模型中采用。但IGBT的输出特性与MOSFET输出特性不完全相同。因此必须进行修正。从EGBT的内部结构和特性可得到如图2所示的IGBTPSPICE仿真的直流模型，图2中电压控制电压源ED是为了修正IGBT从线性区过渡到饱和区时的输出特性，电压控制电流源GB、电流控制电压源HD的引人为修正IGBT在饱和区的输出特性，电压控制电压源Vc1、Vco为零电压源，是为仿真方便引人的。
2.1.1 IGBT在截止区的特性
IGBT在截止区输出电流为0，典型的输出电压值在0.7V到1V之间，它由连接在MOSFET的漏极与受控源ED间的二极管D来实现。二级管D在反向电压通过IGBT的输出时阻止BJT的集电极电流。
2.1.2 IGBT在线性区的特性
在线性区IGBT的输出特性可视与MOSFET相同，仅在线性区进人饱和区时两者特性有差别。对于MOSFET在饱和区时有如下关系：
由图 2 可知， 在相同条件下输出晶闸管有如下关系：
由上面两式可得：
通过引人修正函数F1(VGE)使IGBT与MOSFET在同一门射间电压下的特性建立的相应关系式为：
由式 ( 3 )、( 4 ) 可得 ：
借助此修正函数F1(VGE)，IGBT的特性可修正为对应MOSFET的特性，可由二维非线性受控源ED来实现：
2.1.3 IGBT在饱和区的特性
由图2可知BJT的基极电流从MOSFET的漏极流出，两者数值上相等，可得：
由M O S F E T 的特性可行：
而由B J T特性得：
引人修正函数F2(VGE)来调整IGBT的饱和区特性，即：
由上可得：
在仿真中，IB(BJT)由二维受控源GB来实现，将ID借助HD转换成电压量VD，对IGBT而言，取VD=HD=ID，输出晶闸管就由二维非线性电压控制电流源GB驱动，关系式为：
2.2 动态特性仿真模型的建立
IGBT的动态特性仿真模型是在直流特性仿真模型的基础上加人非线性输入电容构成，由于在PSPICE仿真中每个开关状态电容值发生急剧变化是不容易实现的，会出现不收敛问题。非线性输入电容的形成基于非线性电路的输人电源，非线性电容的模型借助折线方程等效，利用非线性电路的等效电流特性取代电容特性，采用等效模拟的方法来设置动态模型比常规的复合模型分析法更接近IGBT的动态特性，详细的推导过程参见文献[1]，完整的IGBT态仿真模型电路图如图3所示。
图 3中：
3 IGBT直流特性和动态特性的仿真
为了验证IGBT的PSPICE仿真模型能否在工程中应用，对照400A/1200V CM400HA-24H型IGBT的直流特性和动态特性进行了仿真，仿真中的主要参数为VCS(th)=7V，VCEsat(IGBT)=2.8V，VD=1V，ICE(sat)=400A，BF=100，Kp=2.5*10-6。仿真的直流特性中输出特性和传输特性如图4所示，动态特性中开通特性曲线、关断特性曲线如图5所示。分析仿真结果可得上述的IGBT PSPICE仿真模型正确，适用于大功率的IGBT的直流特性和动态特性分析中。
4 参数配置的影响
在仿真时仍需对模型中的MOSFET和BJT进行参数配置。MOSFET参数配置决定IGBT动态模型的开关时间、存储时间，为减小对IGBT模型的影响，MOSFET模型参数中只对其阀值电压、跨导系数、转换时间进行设定，其他参数引用了PSPICE内的默认值；BJT的参数配置决定IGBT动态模型的饱和压降、反向漏电流等特性，BJT只设定了饱和电压、正向电流增益、输出导纳，其他参数引用了默认值。模型中门极输入电阻Rg和输人电容CM，影响IGBT开通过程的开通延迟时间和上升时间。输出电容Cout影响着关断时间。要达到所分析器件特性的良好模拟，除要协调调整以上参数外，还需根据器件的实际情况，调整模型中的受控源参数，最终达到满意的结果。
5 结论
经上述分析和试验证明，通过PSPICE仿真软件，应用等效模拟的方法建立的IGBT PSPICE仿真模型具有正确性和实用性。通过特性仿真，有助于分析IGBT在大功率装置中的开关特性，为优化吸收回路的参数提供参考依据。
参考文献：
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