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1、第七节电力电子器件建模一、问题的提出上一节“电力电子系统建模”中所涉及到的电力电子器件(GTO、MOSFET、IGBT)都是理想开关模型（“0”、“1”状态），如表1。然而，当我们在研究微观时间尺度下的（电压电流）系统响应或者电力电子器件特性的时候，我们就必须对电力电子器件建立更精确的模型。这里的电力电子器件模型将不再是状态空间表达式或者传递函数的形式，这是因为简单形式的状态空间表达式或者传递函数已经无法精确表达出器件的动、静态过程。电力电子器件的精确模型主要应用在：器件模型换向过程（微观时间尺度上）、元器件张力、功率消耗、设计器件缓冲电路
2、等情况下。从某种意义上说电力电子器件建模是电力电子系统建模的补充。表1理想开关与实际功率开关对比理想开关实际功率开关器件反向耐压∞V0通态压降导致开关损耗0P＝Von*Ion开关时间0toff,ton>0驱动功率忽略不可忽略二、建模机理1.电力电子器件建模需考虑的问题对于功率半导体器件模型的发展，除了考虑半导体器件在建模时所考虑的一般问题和因素之外，在建立比较精确的仿真模型时，以下几个问题必须优先考虑，这些问题在低功率器件中不成问题，但在功率电子器件中这几个问题它们支配了器件的静态和动态特性：(1).阻系数的调制为了承
3、受较高的电压，功率半导体器件一般都有一个稍微厚度搀杂半导体层，当器件导通时，这个层决定导通压降和功率损失。这个电阻随电压和电流变化而变化，具有非线性电阻的特性。单极型器件（MOSFET）中，电阻的变化是由有效电流导通区域变化所引起，另外随着外电场的增加迁移率的降低也会引起导通电阻的变化。双极器件中，当器件导通时，电子和空穴充满了低搀杂层，此时注入的载流子密度比搀杂浓度还要高，这个区域的电阻明显的降低了。在区域边界X1到Xr，面积为A的区域电阻由下式表示：这里n和p分别是电子和空穴的密度，和是载流子的迁移率，载流子并不是均匀分布的，它们的密度
4、也不是均匀的。(2).电荷存储量对于双极型器件而言，当处于导通状态时，载流子电荷被存储在低搀杂区域，这些载流子电荷在器件阻断之前，必须尽快地被移走，这过程是引起开关延时和开关损耗的根本原因。我们以往使用的用于仿真的器件模型都是一种准静态模型，这就意味着电荷的分布是器件两端瞬时电压的函数，这根本不适于功率电子器件，若要准确描述器件的动态特性，就需要导入器件的基本物理方程。在暂态瞬间，功率器件的低搀杂区域内的载流子电荷随着时间和位置进行变化。(3).MOS电容在MOSFET、IGBT、MCT等控制门极通常都是绝缘门极，这样的门极都具有比较大的门
5、极电容，这个电容受门极电压的影响，是个非线性电容。影响最大的是门极和阳极之间的电容，在应用电路中门极是输入端，而阳极通常是输出端，通过两极电容形成的反馈作用，对开关的特性产生了较大的影响。(4).电热交互作用由于功率损耗，电力电子器件在工作时产生大量的热能，器件的特性同器件的温度有极大的关联，因此变化的温度对器件的特性产生了影响，考虑到热对器件特性的影响，也需要对器件的电热效应建模。(5).击穿击穿不仅仅发生在器件损坏时，有时正常的应用也会发生击穿想象现象。功率电子器件的击穿大多数是雪崩击穿，但有时也有齐纳击穿发生。1.电力电子器件建模的建
6、模方法目前有关电力电子器件的仿真模型有很多,这些模型主要包括下面几类:一类是从器件的物理原理为基础的方程出发构造的模型,这类模型可以称为微模型,其模型参数与物理原理密切相关,这类模型的特性比较接近器件的实际特性,但是它的参数比较复杂,用户使用起来很不方便。与微模型不同的是,电力电子器件的宏模型是从另外一个角度出发,运用电阻、电容、二极管和晶体管等元器件构造电力电子器件外部特性的等效模型,这类模型的构造相对来说要简单些,应用起来也比较直观和方便,但是宏模型的精确性不如微模型。电力电子器件有各种各样电路模型，所以也存在许多建模方法。下面我们主要
7、在子电路模型和数值模型这两种模型形式加以讨论。(1).数值建模法数值模型一般是直接利用半导体功率器件的物理方程求解而到模拟结果的一种建模方法。通过这种建模方法得到的电力电子器件数值模型可以称为数值模型（或者微模型）,其模型参数与物理原理密切相关,这类模型的特性比较接近器件的实际特性,但是它的参数比较复杂,用户使用起来很不方便，对计算机的眼球也非常之高。(2).子电路建模法这种模型一般都建立在已有的通用电路仿真平台上，根据需要建模的电力电子器件特性，利用仿真平台器件库中已有的器件，搭出满足电力电子器件器件静态和动态特性模型来。当然这种子电路模
8、型可以很简单，也可能很复杂。子电路型电力电子器件模型的仿真精度一方面取决于模型本身结构，它还取决于仿真平台的计算精度和仿真平台中已有的模型精度，所以子电路型电力电子器件模型的精度
