2024年2月20日发(作者：)

用MATLAB实现IGBT动态仿真

第l6卷第4期

V0I_16No4

湖北工学院

JournalofHubeiPolytechnicUniversity

2001年12月

D℃c200l

[文章编号]1003--4684(2001)O12—0052—04

用MATLAB实现IGBT动态仿真

刘劲楠,廖家平,毛俐呈

(湖北工学院电气工程与计算机科学系,湖北武汉430068)

[摘要]对IGBT模型暂杰部分进行了详细的理论分析考虑到IGBT的工作条件,必须用非准静态分析法

描述IGBT的暂态电流,电压波形.并用MATLAB的横型语言——S+Function在电力系统工具箱中舔加了

IGBT模块,实现动态仿真.

[美键词]IGBT动态仿真;非准静态分析法;S—Function

[中围分类号]TM646[文献标识码]:A

IGBT(图1,图2)的结构和VDMOSFET十分

相似.不同的是IGBT多一个P层发射区,可形成

PN结l,,并由此引出漏极,门极和源极与VD—

MOSFET相似.IGBT含有一个轻掺杂,宽基极,低

增益(L～)的双极性晶体管(BIT),与传统的商

图1IGBT的元胞结构

1IGBT动态模型

增益,低注入BJT不同.在实际工作范围内,这个双

极性晶体管处于低增益,大注人状态,电子和空穴电

流相互耦台.而传统的双极性晶体管模型在暂态分

析时假设满足准静态近似条件,以下详细分析模型

采用非准静态近似条件.

0llb

图2IGBT等效电路图3参考坐标系

半导体常数,V一0.7V.电子和空穴的电流传输

方程:

双极性传输方程的参考直角坐标系见图3.

在正偏的工作条件下,BJT的集电极一基极结

是反偏的,它的耗尽宽度为:

,

一

/2e(yk+V)/qN(1)

准中性基区的宽度为:

W—W6～,.(2)

暂态时,是随时间变化函数,则也是随时间变

化函数.式(2)对时间求导,得到:

dt一一.(3)口^一

设C一AE,./,式中Ⅳ为基区掺杂度,为硅的

一

L+gAD窦,(4)

一

南L—qAD塞.(5)

式中的b—/,D—DDp/D+D.

注意到以上的两个表达式都与总电流J.有关,

且不能解偶.这对于IGBT中的BJT十分关键,因

为在低增益状态下电子和空穴电流的大小相当.不

能简单地令空穴电流为零,求解电子电流.

空穴流连续方程:

一一一一l_.

(6)ata

fHLgx.…

且一Al,,又由于IGBT中的BJT基区中的任意

[收稿日期]200]一0l一12

[作者简介]刘劲楠(1976--).女,湖北武汉人.湖北工学院硕士研究生,研究方向:电力电子器件仿真

第16卷第期刘劲柚等用MATLAB实现IGBT动态仿真

一

点的总电流相等,即兰一0,从式(6)得双极扩散整理得

方程:

(W)一譬(0].(13)

&rz—一3p+警.(7)2在MATLAB中实现

式中工一Df一为双极扩散长度.

1.1双极性晶体管空穴电流

从式(3)看出,准中性基区宽度随增加而

减少.则随增加基区过剩电荷Q从变窄的基区

中流过消失.因此,式(7)必须在移动的边界条件和

初始条件下求解,即非准静态近似条件,可以得到基

区中过剩载流子的分布.式(7)得近似解为_1]:

)一1一)一?

(警一一13W).(8),26…

又由于基区载流子总电荷,对式(8)在0到积分

得:

1

Q一窜AI占p(x)dx一{PoqAW.(9)

将式(8),(9)代人式(5)可以求出相应的空穴电流.

求得在中性基区边缘的集电极空穴电流为:

Ⅳ一L十南等Q+警.

(1O)

式中的第一项为与L耦合的部分,第二项为电荷控

制部分,第三项为非准静态部分,这一项是移动的边

界条件下载流子重新分布引起的.

1.2双极性晶体管电子电流

电子电流从MOSFET部分来考虑.IGBT中

的MOSFET可以用传统的模型来表示.J～由式

(u)给出,极间电容来描述电荷贮存,c,c定

义参见文献[2]中的圉5.

f0<Vt,

～

:

(Vo-Vt)一≤一,(11)

l.

(V一f)/2>一

则从图2的节点b(d)列电流方程,利用电压方程

V一一V得到电子电流为:

I一I()一』～+(C+)?

警一c誓.(12)ld一—一.LlzJ

1.3双极性晶体管基极电荷控制

由于电荷守恒,基区载流子总电荷等于对电子

流连续方程积分

0一qAICr)dx,

MATLAB的特点是易于进行控制系统的仿

真口],而IGBT的模型中含有微分项,考虑把IGBT

的模型用状态方程的形式加入.而观察IGBT的模

型,可以把,Q看作状态变量;,I为系统的

输入;作为系统的输出.

为实现IGBT的动态模型,建立的系统状态方

程模型.设状态变量:x(1)一V;x(2)一V;

X(3)一Q系统的输入:U(1)一L;U(2)I;

系统的状态方程为(15),(16),(17).

从节点(g)列KCL方程:

I一c一c.…)

整理得:!一d+Cgdd.(15)

因为J+I一L,则(1O)式加(12)式得到IGBT总

电流,并代人(15),整理得:

一

(,d一Q+(1+一1

b)?出….

'惫一～))/((1+百1)

cc+毒+字.(16

把I(0),L()的表达式代人式(13),整理得:

d9df—I～+(c+)一

一一

毳,w-t.1ld—一匦一.¨

输出方程:Yk1)一x(1);y(2)一x(2).

以上方程可以用KRF45(龙格库塔一费尔博格

4阶)算法求解.这里采用了simulink中SFunc—

tion(Mathworkcorporation.S—Function

help.1999)对IGBT二次建模.在添加IGBT模型

时把模型看做一个连续系统,只讨论mdllnitial—

izeSizes,md1Derivatives,mdlOutputs三种回调方法

在S—function定义中.在flag一3对应的回调方法

mdlOutputs0中定义计算静态工作点的部分,输出

部分用状态变量Q,V,的函数表示.在flag=1

对应的回调方法mdlDerivatives()中列写的状态方

程,计算微分.在flag一0对应的回调方法mdllni

tlalizeSizes()中定义仿真初始值.而预处理过程在

封装中实现,列写的外电路状态方程由系统给出.

而仿真算法可以用siraulink中提供的仿真算法.

第16卷第4期

5总结

刘妨柚等用MATLAB实现IGBT动态仿真55

与Pspice中的IGBT模型(MicroSimcorpora—

A—DReferenceManual,1996)比较,

从图8中可以看出(20～60)s时MATLAB和

Pspice中门极电流和门极波形几乎重合,阳极电压

波形中仿真波形的峰值电压相差比较大.而Pspice

中模型的有效性在文献E43中已阐述.(O～20)

的不同时由于不同的仿真初值引起的.图6从关断

状态开始仿真,而图7从导通状态开始仿真,这是由

于Pspice中考虑了门极内部的电阻Rg,而本人的

模型中没有考虑,这个电阻值很小,对门极特性的影

响不明显,但对电压波形的影响比较大.

可见该模型仿真的IGBT暂态阳极特性,暂态

门极特性都是十分有价值的.模型可以设定器件的

基极载流子寿命,门极电阻等参数,以便观察峰值电

压,开通关断时间等电路特性的变化

[参考文献]

[ytlcalmodel

forthesteady-stateandtransrentcharacteristicsof

thepowerinsulatedgatebipolartransistor口].Sol

StateElectronics,1688,31(1O):1513—1532.

[2]Simas,PiedadeMS,FreireJ

mentalcharaeterizationofpowerVDM0S

transistorsincon~nutat/onandaderivedmode1for

computer—aideddesign[J].IEEETramactionson

PowerElectonices,1986,4(3):371—378.

[3]薛定宇.控剖系统计算机辅助设计——MATLAB语

言及应用[M].北京:清华大学出版杜,1996.

[4]~delValidetlon口].

IEEEIndustryApplicationMagazine,1998(11,12):23

—

34.

ImplementIGBTDynamicSimulationbyMATLAB

LIUJin—,

(tricEngineering8~ComputerScience,PolytechnicUniv.,Wuhan430068,China)

Abstract:eringtheconditionofIGBT,weusethe

non—日口quasistaticmethodtodescribethedynamiccuYi'ddIGBTdynamic

blockinpowersystemtoolboxwithS-functionandimplementitsdynamicsimulation.

Keywords:IGBTdynamicsimulation;non-quasi-static;S-functionsimulation

[责任编辑:张岩芳]

(k-接第51页)

[参考文献]

[1]撩建华图象处理与分析[M].北京:科学出版杜-

1992.

[2]rrS,esfromCon-

ns口].OnGraphics.1992.16(3){237

—

256.

[3]ceTransformationsinDigitMIm?

ages[A].CVGIP.1986,34(4);98—100.

InvestigationonAlgorismofMatchingbetween

Ship'sCorrosionImages

CHENQi—xiang,ZHOUShang—li,KEMing—yi

(trical8LComputerScience,HubeiPolytechnicUniv.,Wuhan430068,China)

Abstract:Thisthesion

uncontinuousimages.

Keywords:ship'scorrosionmatch;uncontinuoosimages

[责任编辑:张岩芳]