硕士论文--IGBT参数辨识及其有效性验证

硕士论文--IGBT参数辨识及其有效性验证 上海大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子系统集成化的不断发展,电力电子系统仿真越来越重要。近年来 出现的电力电子系统无原型.设计, 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 仿真结果更加准确,更加接近 实际电路特性。仿真结果的准确性取决于电力电子器件模型及其参数。所以器件建 模及模型参数辨识始终是电力电子技术的研究方向之~。绝缘栅双极型晶体管 具有电流密度高、驱动功率小等优点,自问世以来在电力电子变换器及电力 传动领域得到了广泛的应用,建模与模型参数辨识也成为研究的一个热点。 本文在 .的数学一物理模型基础上,提出一种基于实验、仿 真及最优化算法辨识模型参数的方法。为了辨识出参数,我们构建了一 个电力电子器件工作波形自动采集平台,采用法国里昂国家电气实验中心提供的 作为仿真软件,结合最优化技术,辨识模型参数,并对其有效性进行 了验证,文巾以为例,给出了参数辨识及有效性验证结果。 本系统的硬件平台功能包括:静态特征波形值的提取、动态特征波形值的提取 及有效性验证。机作为系统控制、数据采集和处理中心。此外还包括程控示 波器、 接口总线、一卡、程控电压源和电流源、驱动和保护电路。 本系统的软件功能包括特征波形的自动采集和目标函数值优化两部分,分别 基 于机和工作站两个操作系统。通过和编程实现对 硬件的驱动和运行。控制一卡、总线、程控电压源和电流源,将采 集到的特征波形值传输给工作站,并启动最优化算法程序和仿真软件, 辨识出模型参数。 最后,在模型参数辨识完成的基础上,本文对辨识出的模型参数 进行了有效性验证。在不同的电压和电流范围内,对的仿真波形和实测波形 进行比较,并对比较结果图进行分析。参数辨识及有效性验证对建模改 进、仿真精度评估及使用选型都有很好的指导意义和参考价值。 关键词: 参数辨识 自动采集系统 最优化算法 有效性验证上海大学硕士学 位论文】。 ,, ? ,记.. . , ? , “,. 。“ , , 砌 ., ,. 】. ,一 ,.。 。 “。 , . ?, . , 踟 ,., . : 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 .电力电子器件参数辨识的意义 近十几年来,由于半导体微细加工技术与高电压、大电流电力电子技术相结合, 使得电子产品不发周期不断缩短,市场上电力电子器件的特性也越来越成熟。对于 用户来说,日益复杂的电力电子系统殴计将越来越依靠计算机辅助设计和分析,在 制作实际系统前,必须要对所没计线路进行仿真研究,在仿真过程中排除设计错误, 并使系统在设计时已尽可能达到最优化,节约财力物力,达到事半功倍的效果。 电力电子系统仿真的关键在于电力电子器件的仿真,它是建立在器件模型及模 型参数的基础上。在器件模型确定以后,仿真的精度取决于器件的模型参数。 要取 得准确、可靠、有指导意义的仿真结果,首先要有器件的精确模型参数。但是,采 用一般的仿真软件对电力电子系统电路仿真,有不少的局限性,使得仿真结果达不 到预定的效果,主要有如下制约因素: 一、虽然有些仿真软件可以提供电力电子器件的模型参数,但由于生产厂家的 不同及产品批次的不同,使得器件模型参数有较大差异,如果简单使用仿真软件提 供的参数,就会导致仿真结果的不准确。 二、模型提供的滞后性。有些生产厂家推出某一电力电子器件以后,并不会立 即提供模型参数给仿真软件厂商,这就使得有些新器件的模型在仿真时只能找相近 器件替代,这会导致仿真结果的不准确。 三、在普通仿真软件中,一般将电力电子器件的模型用等效电路来代替,即电 阻、电容、可控电源及一些已知模型器件来组成电力电子器件的模型。比如 中的模型,是由一个和一个的简单组合。由于此类等值电路较 为简单,这种模型并不能精确描述器件的工作物理特性。 四、出于商业保密性,制造商一般仅给用户提供器件的工作特性指标,不提供 器件的物理模型参数。尽管部分物理参数可以根据产品手册上的数据推算, 但得到 的结果非常粗略。即使同样的器件,不同的厂商提供的参数也不一样,所以用户仍 然得不到精确的物理模型参数。 以往的电子电路仿真只能应用于小功率的模拟器件和数字电路,大功率电力电上海大学硕士学位论文 子器件无法用这些仿真软件进行精确地仿真。这是因为大功率器件的一些物理效应 没有被考虑,如电荷存储效应、电热效应、多子的掺杂浓度、载流子寿命周期等等。 这些效应没有被正确描述或者说根本没有被建模,原因是它彳『对小功率器件的影响 不重要或可以忽略,但是这些效应对于大功率器件性能是非常重要的。 近年来国内外很多学者致力于电力电子功率器件的数学一物理建模研究,力求能 够在大功率条件下模拟器件的动、静态工作特性,研制了一些基于器件数学一物理模 型的电力电子系统专用仿真软件。随着电力电子技术的不断发展及无原型 设计的需求,电力电子器件的仿真越来越重要,器件的模型参数辨识 具有重要的研究价值。 .国内外研究现状 目前国内这一领域的研究相对比较薄弱,大多数是用一些仿真软件进行模型 参 数的工作特性验证,而且多数只考虑稳态过程,涉及到器件的动态过程参数和器件 的微观物理模型的不多。西安交通大学、浙江大学、哈尔滨:业大学、西安理工大 学、株洲电力机车研究所等科研机构从年代后期开始进行这方面的研究,但是大 多数是基于等值电路模型进行数学推导?。到目前为止,国内还没有出现基于大功 率器件的数学一物理模型自主创立的参数辨识方法和电力电子器件专用仿真软件。 国外在这一领域里的研究已比较深入,主要集中在器件的建模和模型参数辨识 两个方面。模型一般分为二类“。一类为行为模型 或实验 模型“,这种模型以等值电路为基础,模型简单,但不够精确。在一些比较复杂的 系统中,仿真软件采用这种模型,能够取得满意的效果。此类模型主要以设计者的 经验为根据,要求设计者对系统工作特性非常熟悉,完全不考虑器件的动态物理过 程,所以此类模型难以准确描述器件的动态特性。 ,其特点是以的 第二类为数学一物理模型 物理结构及机理为基础,考虑载流子寿命、扩散速度、导电沟道宽度、多子掺杂浓 度、电荷热效应、结点温升等一系列的基本因素,用数学等式描述器件的物理特 性。这类模型能够较好地描述器件的静、动态特性和开关瞬态过程。但缺点是模型上海大学硕士学位论文 本身结构庞人,细化参数繁多复杂,仿真时需要花费大量的计算时问,比如 等人提出的模型“,以及后来很多基于模型而开发的专用仿真软件。 近年来,法国罩昂国家电气实验中心在该领域做了很多开创性的工作。他们对 电力电子器件的物理模趔进行深入研究,开发了基于棒图 理论的电力电 子系统专用仿真软件,该方法以器件的数学一物理模型为基础,具有仿真速 度快及精度高等特点。他们己将该方法成功地应用于功率二极管、功率 、等电力电子器件的参数辨识“”。 .电力电子器件参数辨识的基本思想 图.为电力电子器件建模及参数辨识的流程图。首先开发者或制造商研究分 析器件的工作特性,然后建立器件物理模型,该模型必须能够完整的描述器件动、 静态行为特性,然后对器件的物理模型进行参数辨识,辨识通过之后再进行有效性 验证,直到有效性验证通过之后,此时的模型参数才能提供给使用者使用。在 这个 过程中有三个反馈环节,若最后的有效性验证通不过,则有可能是这三个环节中的 一个或多个环节出现问题,可以修改模型参数或修改模型,进行反复修正。 图.电力电子器件建模及参数辨识流程图 由图 可以看出,电力电子器件从设计到最后成为可用的产品,是一个反复 验证结果刁断修改模型和模型参数的过程,模型参数辨识只是其中的一个环节。在 选择了正确的模型之后,可以通过参数辨识和有效性验汪来获得模型的准确参数。圭堡丕兰堡三堂鱼笙墨 一. ??一一 在本系统中采用的仿真模型是模型,该模型已经注入仿 真软件中。我们采用如图.所示的实验与仿真结合的方法进行模型参数辨识。 一方面对工作电路进行波形采集,获取/:同电压电流条件下的波形特征值, 另一方面通过启动仿真软件,求得仿真输出波形特征值,利用实验值和仿 真值构成~组目标函数,采用最优化算法,不断修改仿真模型参数,当目标函数值 最小时,我们认为此时的模型参数即为我们所辨识出的参数值。 图 参数辨识思想 .本文研究的主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 本课题来源于台达电力电子科教基金项目,与法国里昂国家电气实验中心合 作, 实现对模型参数辨识及其有效性验证。本文主要研究内容包括以下几个方 面: 一、 根据法囡方面提供的仿真软件及器件模型,构建一个工作波 形自动采集平台,进行波形特征值在线自动采集。该平台以机 和州工作站为控制中心,实现对所有硬件的驱动和数掘采集。 二、 利用和语言,采用技术,实现高级语言驱动外部硬件。使 机通过直接控制程控示波器和一卡,实现程控电源的控制及 波形采集。 三、 建立动、静态目标函数,选择合适的优化算法,通过优化过程辨识 出的模型参数。 四、 对辨识出的参数进行有效性验证,并对有效性验证结果进行分析。上海大学 硕士学位论文 器件原理及其仿真模型 第二章是一种双极型电压控制器件。它兼有 和双重优点,具有电流密度大、驱动功率小、导通压降低、输入阻抗高等 特点,在电力电子领域得到了』‘泛的应用。尤其在电机控制、中频开关电源、 逆变 器、机器人、空调以及要求快速低损耗的许多领域有着明显的竞争优势。 自从年第一只问世以来,的发展经历了从第一代到第四代的 技术革新和 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 改进。的发明,在中高压领域克服了导通电阻大 的缺点,并兼容了的和双极型器件的优点。年代末,商品化的单 片水平已达/;到了年代初,模块已达刖.。每次升 级换代都朝着高压大容量化迈进,最近有报道最大额定集电极电流己经达到 ,最高阻断电压达到.”。除功率大幅提高外,工作频率也极大的提升, 最小关断时间可以缩短至或更低。 在从第一代到第四代发展过程中,很重要的研究课题就是设法改善饱和 压降和开关伏安特性关系。通过一系列的改进措施,第代的饱和压降、关 断时间都比第一代下降了%以二。到了第四代,比。。和‘盯都降低了一半。 随着 细微加工技术和大功率半导体技术的发展,目前功率器件系列都采用舯以下 的设 计规则。以耐压为的特性的提高为例,从第一代到第四代的通态压降 %。。和关断时间咿特性标准如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf .所示”: 表. 发展的各阶段性能标准 吃。。 肛 . . 第代 . 第代 . . 第.代 . . 第代 . . 第代上海大学硕士学位论文 .的基本结构 是三端器件,如图.所示,包括集电极阳极,发射极阴极,栅极 门极,它相当于一个由驱动的。其原始结构是双极达林顿管, 由图可以看出,它的结构与十分相似,差别仅在于它的衬底是,而 的衬底是。的结构现已出现多种形式,根据栅极的材料可分为铝栅和硅栅, 根据栅极结构又可分为普通栅极和台阶式栅极两种,按沟道材料不同,也有型和 型沟道之分”。 在正常工作电压下,阳极相对阴极施加正电压,当栅极加三电压时形成导电沟 道,电子从阴极流到区,进入??晶体管的基区,使一一结构趋于一偏压。 最终使它处于正向偏置状态。此时大量空穴从区注入一区并和从‘注入的电子复 合。当从区注入的空穴比一区掺杂浓度大得多时,这些过剩载流子将显著的调制 外延层的电导率,从而使不但能承受高电压,而且还具有低的导通电阻。 集成了栅极控制与双极电导调制以获得高输入阻抗和低通态电阻优 点,是目前最理想的功率开关器件。其基本结构有横向型和纵向型两类,对于高压 器件,电流横向流动结构的出现早于电流纵向流动结构,但是其单位面积的最 大电流较小,导通电阻较大,因而横向型器件难以实现大功率化。但横向器 件便于和其它电路相集成,而且它不需要用高阻外延材料,因而其应用也具有一定 的广泛性。横向绝缘栅双极晶体管的基本原理和一般一样,只有电流 是横向流动的。作为电力电子功率器件,主要是纵向结构,本文将以一般的纵 向结构来说明的基本结构及特性。 .,烂产絮巧 , , / 图. 结构图及其等效电路图上海大学硕士学位论文 为适应大功率化的要求,现代电力电予器件发展的方向是高电压大电流。然而, 一般半导体器件都存在耐压和正向导通特性之间的矛盾:为了提高耐压而使用低掺 杂层,一般不利于电流密度的提高,但高掺杂层又反而会降低耐压。为了解决 二者之间的矛盾,在结构中增加了一个缓冲层,这种结构称为非对称结构, 也称作穿通型?,如图.所示。穿通型具有正向压降低,关断时间 短、拖尾电流小等优点,但反向阻断能力相对较弱;无’缓冲区的称为对称 型,也称非穿通型.。它具有较强的正反向阻断能力,但它的其他特 性却不及对称型。 在导通状态下,区表面将反型并变成型导电沟道,电子将从’发射区 通过沟道流到漂移区,并垂直流入夕延区,由于电子的流入,降低了一区的电 位,加速了’区向区注入空穴进程,大量空穴从注入区并和区注入的电子 复合。当注入的空穴比~掺杂的浓度大的多时,这些过剩的载流子将显著地对 一 区外延层进行电导率调制,使得一区载流子浓度提高,阻抗减小。降低了的 导通阻抗,克服了器件的缺点。因此可以工作在很高的电流密度下, 能承受高的阻断电压,并且通态压降小。 从以上结构分析可以看出,虽然在高电压大电流方向发展取得了巨 大进步,但是这种机构和导电机理也给带来了一些潜在的不利因素: 其一:由于存在着???四层结构,在一定条件下,可能会导致擎住 效应 ,~旦进入擎住效应,失去自关断能力,进入可控硅工 作状态进而烧毁。擎住效应足所有?四层结构所共有的现象,虽然采取 一些特定的措施能够很大程度上抑制擎住效应,但是不能从根本上消除这一 现象。 擎住效应在发展地初期限制了该器件的广泛使用。 其二:由于少数载流子的注入,关断时在区有大量过剩的载流子需要抽取和 复合,引起拖尾电流,延长了关断时间,增加了关断损耗,降低了开关频率。目前 除了在工艺上降低少子寿命外,在结构上也进行了改进。最近研制成了阳极发射结 短路结构,这种结构可以将关断时间普遍降低到.以下”。上海大学硕士学位论文 . 的基本特性 .. 的工作原理 绝缘栅双极型晶体管在正、反向都具有阻断能力,它是电压控制并具有 自关断能力的双极复合型器件。它的开通和关断由栅、集电极与发射极间电 压%和。决定。根据图.就吃和吃组合出现的三种情况加以分析: ?当%时,.结反向偏置,起到阻断电流作用,因而不管有无沟 道形成,器件都没有集电极电流出现,呈反向阻断状态。由此可见,由 于比多了一个,结而获得了更高的反向阻断能力,能承受的最高反 向阻断电压‰取决于』的雪崩击穿电压。在反向电压下,』结变成反偏,耗尽层 的扩展主要在轻掺杂的基区。反向阻断期闾的击穿电压由基极开路晶体管一? 决定,如果基区掺杂太轻,那么这种结构容易发生穿通击穿。当要求提高阻断电 压时,基区宽度也必须随之相应增大“: . ’ ,/挚 、 式中为区宽度;%。,为最大阻断电压; ,为少子沟道器件为空穴扩散长度。 ?当吃而吃‰时,五结仍呈反向偏置状态,起阻断电流作用,所以器件 呈现正向阻断特性,沟道体内没有形成沟道。只有非常微小的集电 极漏电流,。。流过。能承受『向阻断电压取决于.结的雪崩电压。 ?当。且吃‰时,沟道体内形成导电沟道,进入正向导 通状态,此时由于』结处于正偏置状态,区将向区注入大量载流子空穴,当 正偏电压吃升高时,注入的空穴密度也相应增大,直到超过区多数载流子密 度为 止。在这种工作条件下,随着的升高,向区提供电子的导电沟道加宽,集电极 电流,,将增大,将进入线性工作区域直到进入饱和区域。 的基本工作状态与管无关。的开通,与器件相同,是受 栅压控制的,而且导通非常迅速。为使从开启状态转换到关断状态,必须使 栅偏为零或加负电压。没有栅极偏压,在栅极下面基区表面的反型层就不能 维持, 栅极偏压的移去切断了进入基区电子的来源,沟道消除,开始关娅过程。因为 在 导通期间,基区注入有很高的少数载流子浓度,所以关断不能突然发生,而会 经上海大学硕士学位论文 历一个过程。通常用少子寿命确定的特征时间常数反映阳极电流的衰减变化程度。 .. 的静态特性 的静态特性包括转移特性和输出特性。转移特性是描述集电极电流,,与栅 射间电压吃。之问的关系;输出特性也称伏安特性,它描述栅射问电压%为控制变 所示。在本系统中, 量时,集电极电流与集射极间电压。之间的相互关系如图 为了取得静态参数,我们采用静态输出特性波形对进行静态参数辨识。 图. 的静态输出特性图 的输出特性分为正向阻断区、有源区和饱和区。由上一节工作原理 分析可知,只有在屹。且%‰时,的沟道体区内形成导电沟道, 才能进入正向导通状态。此时,由于,结处于正向偏置状态,区将向区注入空 穴,当正偏压升高时,注入空穴的密度也相应增大,直到超过基区的多数载流子 的浓度为止。在这种工作条件下,随着栅射电压吃的升高,向基区提供电子的导 电沟道加宽,集电极电流,。将增大,在正向导通的大部分区域内,与%呈线性关 系,而与吃无关,这部分区域称为有源区或线性区。对于工作在开关状态下的 应该避免工作于有源区,否则功耗会很大。在饱和区输出特性比较弯曲,与不 再呈线性关系。通态电流,,。为”: 啦.十 ,。为等效电路中的漏极电流,即刚晶体管的基极电流:。为的上海大学硕士 学位论文 放大倍数,与普通达林顿结构不同,的‖。。,因而晶体管的基极电流,构 成通态电流的主要部分。这种不均衡的电流分配时由的结构所决定。 . 的通态压降‰?为”: ‰?巧。‰。 ?.为』结的下向压降,约为 ~;‰为扩展电阻,,上的的压降;尺。为 的沟道电阻。与相比,的通态压降要小的多,这是因为中的 漂移存在电导调制的缘故。 .. 的动态特性 的动态特性也称作开关特性,包括开通和关断两个部分,如图.所示。 、 、 \ / /一 \? 、 ’? / .? :三。呲一 / ‘:::: 卜夕 ;: 。。 叽 ‰吖。。 。 :::卜 ,。 , 、, 。. 图. ;的动态特性图海大学硕士学位论文 ?的开通:是从正向阻断状态转换到正向导通过程。 当时,是断开的。。 当扛。时,在的栅极上加正电压圪。,的驱动电压吃开始增加。 从。到,时刻,驱动电压吃从其幅值的%处逐渐增加,直到集电极电流到达 其幅值的%处为止。这段时间为开通延迟时间。。。,集射极电压‰:‰。 当从.到时刻,开始导通,,以以。/以的斜率迅速从%上升到其幅 值的%处,这段时间为电流上升时间。,%仍近似于%。 当从:到。时刻,集射电压‰开始下降,它分为两部分。从:到毛时刻,%的 下降主要是中单独工作的电压下降过程,它是电压下降的主要部分, 斜率为‰./。我们定义这段下降时间为‰.;从,到。时刻,电压‰下降是 与晶体管同时工作的电压下降过程,定义这?段为。:。。:这一段时 间电压下降变缓主要原因是的栅漏电容增加以及的晶体管由放 大状态转换到饱和状态需要一个过程。 同时,当从:到‘时刻,电压吃由于米勒效应几乎维持常量。导通后流过 的电流,。的值为』。。。。 从。到时刻,即为的开通时间 . 。。。。。,, ?的关断:是从正向导通状态转换到正向阻断过程。 当从毛到,。时刻,门极开始放电到尼,驱动电压吃从其幅值的%处下降, 直到集电极电流开始下降,到达其幅值的%处为止。这段时问为关断延迟时间 。。‖,,集电极电流七和‰的值几乎保持不变化。 从。到。时刻,为电流下降时间。,它分为两部分。 当从。到,时刻,‰迅速以斜率‰:/以上升,同时电流‘开始下降。电流 下降的第一部分主要对应内部的关断过程。随着栅射电压的下降, 内部的沟道截止,的电流是电流的主要部分,这段时间内 ,。下降很快,斜率为出。。/。但是由于’发射区通过山结注入到基区的空穴 流不 会突然消失,因而,。不能突然降到零。电流下降第二部分,,,继续下降直到集电极 电流到达其幅值的%处为止。对应内部管关断过程。此时已 经关断,无反向电压,基区的少数载流子复合缓慢,这段时间内下降较慢。上海大学硕士学位论文 . 从,到时刻,即为的关断时间 ‘盯“。‖‘? 爻断过程中,阳极电压的波形与负载阻抗的性质有关。在电感性负载时,阳极 电压会突然上升往往超过电源电压,会产生大的颠峰冲击电压。在这种情况下, 实际承受较高的电压随延迟时间的延长而承受较大功率,将承受较高的 /,必要时应采取措施加以抑制。在电阻性负载时,关断电流尾部较长,导致 关断时侧较长,这是因为??晶体管基区中存储电荷的大部分因复合而放电的 缘故。 在本系统的动态参数采集中,我们采用了以下的波形特征值来描述动态波形。 如表.所示: 表.动态波形特征值 波形特征值符号 说明开通时间 开通后栅源极电压 %。。。 ‰ 开通后漏极电流 开 。 , 开通时米勒电压 通 开通时刻到出现米勒电压的时间 。,四 开通前的漏源极电压 %。。 栅源极电压下降时间 一,。 开通栅极电荷 。 关断前栅源极通态电压 ‰啊 关断前漏极通态电流 卜一研 漏极电流下降时间 正酊 关断时米勒电压 ?.。口 关断时刻到米勒电压的时间 ‘一明 关 关断前漏源极通态电压 .孵 断 漏源极电压下降时间 .珂 漏源极最大电压不通到出现最大电压的时间 ‰。 关断栅极电荷 暖哂 关断时漏源极电压变化率 : 关断时漏极电流变化率上海大学硕士学位论文 . 的擎住效应 ..擎住效应的理论分析 从图. 等效电路可以看出,在的内部存在着一个寄生的晶体 管,与主开关器件的晶体管组成一个的四层寄生晶闸管。在晶体管的 基极与发射极之间存在体区短路电阻以,在型体区的横向空穴电流流过时会 产生 一定压降。对上结来说相当于施加了一个正向偏置电压,在额定集电极电流 范围内, 这个正偏置电压很小,不足以使正导通,刚晶体管不起作用。所以在正常工作 条 件下,这个寄生晶闸管也就工作不了。一旦这个晶闸管导通,就会产生擎住效 应, 内部电流不断增大,器件不受栅极控制,失去栅控能力“”。 图.具有寄生晶闸管的等效电路图 从结构分析可知.由衬底注入区的空穴一部分与来自沟道的电 子复合,另一部分则通过』结被输入扩散区,成为的集电极电流。管集 电极电流将流经源区下面的基区的电阻尼,在沟道区形成压降,相当于给 管一个偏电压%。。?。,随着集电极电流的增大流过扩散区电流,。也增大。 . ‰,?% 一旦该压降大于导通值.左右,结构立刻导通,发射区立即向区发射电 子,使得放大系数口。增大,进而使得放大系数口,增大,从而产生萨反 馈效果。当盘。,、。满足条件: . ,? 那么即使匕。‰,管不导通,在%很小时,也可以产生很大的电流,无法通上海 大学硕士学位论文 过栅控关断。这时就发生了擎住效应。 从以上分析可知,当。口。时,器件不能发生擎住效应。由此可见,若 使一区与区在表面用金属覆盖而短路,就可以使管的发射区与基区短路而失 去放大能力,从而避免器件的擎住效应。然而对于器件来说,不管’区与 区如何分布或排列,电流总要横向流动,并且在基区存在横向电阻尼,当流过 它 的电流超过允许范围时,尼上的压降超过源区结的闽值电压约.,短路作 用就会消失,管将起放大作用,擎住效应就会发生。因此,当%。?.时,在擎 住条件下盘。。?,设擎住临界电流为,。。有: . 只, 流过的集电极电流 . ,。,。,。。 基区电阻见上电压 . .,。,,.磁 故发生擎住的临界闭锁电流,。。为: . , ./口 由上式.可以看出,减小晶体管的电流增益口,和降低基区的电阻聪 可以增大临界擎住电流。图.所示为的典型擎住特性曲线。 域 图. 的典型擎住效应特性曲线 它可以分为以下几个区域: 爿段:定义为栅控下的工作区。此时寄生管尚未导通。 段:定义为栅控下的、管共同工作区。此时凰二的压 降逐渐增大,当管仍未导通,这是因为。。。上海大学硕士学位论文 点:定义为转折点,对应的%,为转折电压,在该点上由于口,。十盘?尸。的 条件已满足,触发了寄生晶闸管的正反馈过程,使得发生擎住效应,阳 极电流迅速增加。 ?段:此时已经进入了负阻区段,随着电流的增大,电阻减小,进而 促使电流继续增大,正反馈加速,完全失控。 肥段:进入工作区,此时己蜕变成一个等效的附功率二极管。 ..动、静态擎住效应 ??四 由前面几节对结构和机理分析可知,由于结构中具有 层结构,从而在器件工作时将会产生寄生晶闸管效应。寄生晶闸管效应即擎 住效应, 也称锁定效应,晶闸管导通与触发信号无关的状态。这也是所有? 四层结构 所共同存在的现象,它将使面临失去栅控关断能力的危险,这必将对其应用 带来很大的限制,年投产的第一代就存在严重的擎住现象,其后人们对 擎住效应进行了许多研究二作,提出了若干制造和工艺上的措施。 的擎住现象有两种模型:导通时产生的静态直流擎住及关断时的动态擎 住。静态往往发生在低电压大电流工作状态,而动态擎住效应则易发生在开 关过程 的高压大电流状态,一股静态擎住电流容量高于动态擎住电流容量。 .静态擎住效应: 如果集电极电流,。大到一定程度,矗结正偏置电压将上升至使导通,使 和晶体管同时处于饱和状态,当横向压降结的正向偏压降达导.时, 区开始发射电子,放大系数口。增大进而使放大系数,。增大,构成正反馈,造成 晶闸管导通,栅极失去控制作用。器件失控,集电极电流』,增大导致器 件损坏,由此可见,集电极电流有个临界值』。,大于此值后就会产生擎住效 应。由式 还可以看出,静态擎住电流是??晶体管电流增益口尸?尸的函数,如 果口。比较大,流过基区的空穴电流也将比较大,于是擎住电流将比较低,容易 发生擎住效应。当降低基区少子寿命时,电流增益口。也随之减小,临界擎住电 流』。也增大。目前已经在实验中观察到利用电子或中子辐照来降低少子寿命以提高 歼关速度的同时,静态擎住电流也随之增加““。 上海大学硕士学位论文 .动态擎住效应: 实验研究发现,不只在稳态导通期间发生静态擎住效应,当工作在 开关条件下时,即使在较低电流也会引发擎住效应。在器件在高速关断时,阳极电 压迅速上升,集电极一发射极电压%突然上升,呈现较大的‰/出,在正结引起 较大的电位移电流,该电流流过只。时可以产生足以使晶体管导通的正偏置 电压, 造成寄生晶闸管导通,使器件失控。 这种情况很容易发生在开关电路中负载为感性时。此时的突然关断极易发生 动 态擎住效应。要避免这种现象,可以在的驱动电路上串联很大的阻抗,以降 低电流下降速度,但是这样一来又延长了关断时间,增加了损耗,降低了开关 频率。 所以说,器件很多性能指标都是相矛盾的,只能折衷最优化。 此外温度升高也会加重发生擎住效应的危险。在常温下条件下,促 使发生自锁的集电极电流,。是额定电流的~倍以上,但在温度升高后, 会严重下降。如图.所示是西门子一款耐压.的擎住电流与温度关系 图?。】 ” 图. 的擎住电流与温度关系 当温度由常温上升到时,擎住电流下降了近一半。主要原因是体内的 和晶体管的放大系数随着温度的上升而增大,区的电阻咫随着温度上升 也增大,这是形成自锁条件的重要因素。因此在使用时,应该考虑的 温升条件,提供良好的散热条件,既可以降低开关损耗又可以减少潜在的擎 佯效应。 上海大学硕士学位论文 ..抑制擎住效应的措施 自问世以来,擎住效应曾经在很大程度上限制了其应用的广泛性,人们不 断对擎住效应结构器件进行研究和改进,第三、四代在不进入擎住效应的提 前下具有很高的工作电流密度,在这方面作出杰出贡献的科学家有 、 等人,目前较为成功的抑制擎住效应方法主要有以下几种“”“”“”?“”: .减小寄生晶闸管发射结分流电阻“” 该电阻即是基区的横向电阻。,尺。的存在及其对流过晶体管发射结的分 流作用是由的自身的机理结构决定,因此存在基区中的尼无法被消除。但 可以通过在区引入一层高掺杂浓度的层能减小。,这种改进的器件可以 提高擎住电流密度,从而使器件在高密度工作电流时也不容易进入擎住效 应。 在的基区进行深层扩散时,必须考虑掺杂层的结深和表面浓度等工 艺参数,利用只。模型,可以计算与深层扩散工艺参数的关系。对于圆形、条 形、 方行元胞结构,,的表达式分别如下: 剐 吩豁詈一等斟詈一等 棚 耻讣三一等钭詈一等 绷 驴辩寸等群寸等 式中:。和。一分别是基区的轻掺杂和重掺杂区的薄层电阻,可根据杂质分 布用数值积分准确算出,基区及区的横向边界坐标‘、‘、、‘可由版图设计 参数, 。和准确算出,计算时要考虑横向扩散的结深,厶是条形元胞的长度。 通过优化设计元胞的结构、尺寸及掺杂浓度,可以设计出具有较小。的,从 而得到了具有很大擎住电流密度的。 .通过缩短少子寿命以减小内晶体管的电流增益“ 日前通过这一方法改进擎住效应的措施主要有中子辐照、电子辐照及质子辐 照。 该方法的原理如下: 由于是双檄型器件,当它工作期问区向基区注入大量的空穴,这些 空穴一部分与区来的电子复合,另一部分则进入管形成空穴流,当关断发上 海大学硕士学位论文 生时,基区的大量空穴不能立即移去,从而使得的下降时远远大于 等单极型器件。 中子辐照的作用主要通过基区过剩空穴寿命的变化产生,基区过剩载流 子寿命是辐照剂量的函数,其经验公式如下“”:二二?盯 . 式中。和分别是辐照前后的少子寿命,妒为中子剂量,?为伤害因子。 由于降低了少子寿命,使得内晶体管的电流增益减小,达到了抑制 寄生晶闸管效应的目的,该方法还是实际生产中提高开关速度的有效方法之 一。但该方法同时还会引起开通闽值电压‰的漂移,这主要是由于辐照引起 栅氧化层俘获电荷增加的缘故。 用电子和质子辐照,电子和质子直接与基区的过剩空穴复合,从而在减小下 降时间的同时也减小了管的电流增益,达到了抑制擎住效应的目的,不过,电 子和质子辐照会减弱基区的电导调制作用,导致正向压降的增加,设计时要 很好 的加以折衷考虑,以获得较高的擎住电流密度和较低的通态损耗。 .采用高掺杂的缓冲层以降低阳极发射极的注入效率 此结构即非对称结构?,原来的基区被两层基区所代替, 即一层基区和一层缓冲层,后者的长度近似等于一个扩散长度。这种结构不但 可以使的正向阻断容量提高一倍,而且可以降低区的注入效率,以减小 管电流增益,达到抑制擎住效应的目的。 .没有发射极一基极结正向偏压,增加空穴支路“”“” 近年束发展了一种新型的“表面短路结构的单元”,又称为条形及多重 这种结构采用局部短路分流形式,使晶 表面短路结构 体管的基区注入电流得以分流,从而降低电流增益。采用这种结构后,可以在和条 形结构同样的结构参数下,得到比条形结构更小的寄生晶闸管发射结分流电阻, 结构的。可以做到很小,因而结构的擎住电流密度很高。上海大学硕士学位论文 . 的电路仿真模型 ..电力电子器件的仿真模型介绍 构建电力电子器件的仿真模型是对器件仿真及参数辨识的基础。仿真软件中 涉 及到的电力电子器件的模型,按其描述器件的详细程度大致可以分为三大类“”: 仅拙述器件的开通和关断等基本外部特性的模型,如理想开关模型和双值电 阻模型。 除描述器件的开通和关断等基本特性外,还描述器件的其他外部特性,如开 通时间和关断时问等。这类模型一般以局部子电路的形式出现。 描述器件内部的详细物理机理和过程的模型,这类模型一般是用大量非线性 方程式描述的。 仿真时究竟采用哪种模型,要根据具体研究对象来决定。当研究整个系统的情 况时,采用的第一类模型即可,这种模型非常简单。当要研究系统中电路的工作情 况,或者电力电子器件的开通、关断等动态过程的详细情况时,则要采用第二、三 类模型。其中,第三类模型又称为微观模型,由于它是直接建立在器件的物理机制 上的,它包括了载流子漂移和扩散的数学方程,因此最为精确的。第二类模型通过 等效电路的形式将器件的外部特性表现出来,结构较简单,但其外部特性与物理模 型相似,因此又称为宏观模型。 第一类器件模型过于简单,所有的功率器件几乎有完全相同或者相似的理想开 关模型或者双值电阻模型。第二类宏观模型虽然结构简单.但存在精度不高等缺点, 而且由半导体器件模型件电阻、电容、受控源等的组合成等效电路束描述的模型 不能完全描述器件的动态特性,只能应用于较小的工作范围内。因此,通过上面的 比较可知,采用微型模型进行合适的仿真就能在较大的范围内得到精确的数据结果, 能够比较精确的辨识到器件的参数。但由于微观模型是基于器件的数学一物理机理而 建立的,必须对器件的动态特性进行描述,有许多非线性环节,因此,此类模型比 较难建立。 由于电力电子器件各种复杂的非线性环节,在研究和开发各种电路时,若采用 人工方式分析计算难度很大。为了解决这个难题,人们利用计算机进行仿真计算, 上海大学硕士学位论文 并不发了很多电路仿真软件,比如著名的有 /,等。但是在这些 软件里,器件的模型都是等效电路或者宏模型来构建的,甚至很多器件没有模型, 只能用相关器件等效组合,比如在中只能用和来组合。 目前有很多科研机构研制出了专门针对电力电子器件的仿真软件,仿真的精度 取决于仿真软件中注入的器件模型的准确度“。在本系统中我们采用的是法国国家 . 电气实验中心教授开发研制的仿真软件。它采用的是 等人根据半导体物理理论建立的的稳态和瞬态模型。 .. 的仿真模型 作为目前电力电子领域中应用最广泛的器件之一,很多专家学者致力于对 它的结构研究、工艺改进研究、性能仿真及失效机理分析,其中的建模和模 型参数辨识也成为研究的热点。从所查的文献资料来看,模型一般分为二类“。 一类为行为模型 或实验模型”,这种模型以等值电路为基础, , 模型简单,但小够精确。第二类为数学一物理模型? 其特点是以的物理结构及机理为基础,用数学等式描述器件的物理特性。这 类模型能够精确描述的物理特性。文献提出了基于行为模型的参数辨识。 文献提出了基于数学一物理模型的模型参数辨识,该参数辨识方法及辨识过 程 过多地依赖于器件的物理构造,使得一般的设计 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师难以应用。法国里昂国家电 气实验中心开发了基于棒图 理论的电力电子系统专用仿真软件 ,该方法以的数学一物理模型为基础,具有仿真速度快、精度高等特 点?’。 的数学一物理模型如图.所示,是以器件的物理结构为基础,用 数学等式描述器件的物理特性,用一维双极运动等式来描述器件基区的电导调制作 用。这类模型能够精确描述的物理特性。该数学模型的表达式为非线性,求 解耗时较多,但在计算机性能大大提高的今天,这已不是严重的问题。本文采用的 模型就是所建立的的数学模型””“”。上海大学硕士学位论文 图. 的模型等效电路 根据半导体物理理论,建立了的稳态和瞬态模型,该模型已被移 植到、?口等电路仿真软件。在仿真软件中,物理模型方程中的各项被转 化为以载流子密度、载流子迁移率、载流子扩散率、器件的各项几何尺寸面积、宽 度等为参变量的可变电阻或可变电容。在的模型中,用一系列的参 数模型来表示中的的发射极和基极电流,载流子浓度,栅射极电压。 部分的简单模型和双极性传输方程联立,来描述的电流电压特征。 而的源一漏极电压是射一基电压与沟道电压之和。静态时 的电流等于的基极电流。部分在图中表示为:门极一源极电容。,门 极一漏极反馈电容%,门极一漏极电容,沟道电流‘矿 整个的数学模型非常复杂,非线性方程式繁多,在这里不全部列出,其 中部分重要模型参数方程归纳如下“““?: 集电极电流,由从漏极流向基极的电流即基极电 流』。和的集电极电流』。组成,即: . ,,』。,。 基极电流,。,即:“一%警%警 的集电极电流,。包括电子和空穴迁移的耦电流、载流子重分布电流等:上海 大学硕士学位论文 七,, 击?忐嘉孚基警 栅极电流,。,即 . ‘%%警%警 基区电荷的一部分在基区被重新中和,还有一部分被发射到的发射极: 亿四 署一?卜导一等等。 在射基容上施加的电压%: . 吃屹,吃 射基扩散电容电压。: 。.,。, ‰等?暑击%晶,一等与 射基耗尽层电容电压%。: 一堕型 . 。:岔 沟道电流‘。吃巧 ‰%一%%一篆 . 。: 吣%一雌兰 ??百币可一 ,%一 苎型 ?%一急 『口%一 射基电容电压屹。 . ?屹“? 肾髓囊?四 屹,这个模型已经被注入一些相应的仿真软件,并取得较好的稳 态和动态效果。上上海大学硕士学位论文 面只列了数学模型中部分重要参数方程,在这些方程中引用了一些变量和 常量,变量受电流、电压、电荷的控制,比如: 基极空间电荷浓度?,,.: 眨, ”拦一焘 栅漏耗尽层宽度%: 』%%一%% . % 、『 。 漏源耗尽层宽度%: . ‰警 基集耗尽层宽度%:%掣 这些变量在仿真电路模型中一般以电压或电流受控源的形式出现,而常量则 是由工 艺经验常数和半导体材料决定。比如:基区掺杂浓度?。、器件有效面积』、 基区宽 度%??由此可知,即使是同一型号的器件,不同制造商、不同批次的管子工艺 参数都会由较大的差别,而对于一般用户来说,这些工艺参数和物理变量是 很难获 取的。因此,对于自己建立模型来仿真的用户,这种基于器件数学一物理模型 是不容易实现的。 .. 的模型参数 根据仿真软件中的数学一物理模型,可以确定需 要辨识的内部模型参数””,在的模型中对所有模型参数均有定义参 见附录。表.列出了这些需要的模型参数,包括静态参数标有和动态参数两 类,分别在静态参数辨识和动态参数辨识两个阶段进彳『辨识。首先辨识静 态模型参 数,然后辨识动态模型参数。上海大学硕士学位论文 表. 的模型参数 物理意义 符号 单位的有效面积 栅一漏覆盖面积基区宽度 术 的电压闽值栅一漏重叠耗尽电压阈值 ? 线性区跨导系数 厂 饱和区跨导系数 栅一源电容栅一漏氧化电容发射极饱和电流 缓冲区少数载流子寿命 ? 基区浓度 经验常数 经验常数计算横截面范围时允许校正系 数 .本章小结 这一章重点介绍了的发展概况、基本结构、工作特性及仿真模型。首先 介绍了的发展历史和目前状况,然后对的工作原理和基本工作特性进 行了介绍。针对的擎住效应进行了理论分析,介绍了抑制擎住效应的措施。 最后介绍了的两种仿真电路模型,并对的模型进行了介绍和分 析,确定了本系统需要辨识的模型参数。上海大学硕士学位论文 第三章波形特征值自动采集系统 . 自动采集系统及参数辨识的基本原理 需要辨识的参数在上一章已列出,这些参数本身无法直接被测量,只能采 用问接的方法,即通过器件的外部输出特性来辨识内部模型参数。如图 所 示, 把看作一个黑盒模型,给它一定的输入激励信号,并测量输出响应信号,即 的外部特性,通过的外部特性来辨识它的内部模型参数。因为器件的模 型参数值决定了器件的工作特性,在模型及模型参数给定的条件下,输入信 号的变 化,必然引起器件外部特性的输出变化。所以,只要我们用准确有效的自动测 量手段 获取器件的外部输出特性,并进行正确的计算处理,就能辨识出器件的参数模型。 一 静态参数: //、、淤‰黑:. 动态参数: ?\ \\,/锻。,:。溢,》 图.?的黑盒模型 在本系统中我们利用实验与仿真相结合的方法,通过比较实测和仿真波形,结 合最优化算法,辨识的模型参数。由于的导通关断时间很短,都在微 秒级时删内完成,用一般~转换采样很难满足其实时性,所以必须构造一个快速 自动采集工作波形的硬件平台,将的瞬间波形采集到机,经过相应 的处理后,再提供给工作站的后续优化处理。 自动采集系统包括主机、总线、数字示波器、程控电压和电流源、 工作和驱动电路等。机作为采集系统的主控中心,通过软件编程控制电压、电流 源的给定,同时与数字示波器通讯,读取的工作波形。 在自动采集系统中,需要关注的是:的『确驱动信号的发生、机对程 控电源的控制、机和数字示波器的通讯接口问题。为了精确得到的模型参 数,本课题分两步实现参数辨识:上海大学硕士学位论文 第一步:通过编制相应程序利用卡获取的日,妒,,培等实 测的外部输出波形。 第二步:?设定模型参数初值,启动仿真软件,获取的, 船,,培仿真波形,将仿真与实验波形之差构成目标函数,;?启动优化程序, 不断的改变模型参数,使目标函数,逐步减小,使得仿真电压、电流波形逐步逼近 实测电压、电流波形,当两者的差值足够小,此时的模型参数即是辨识的结果。 .自动采集系统平台的构建 为实现参数辨识,构建了波形自动采集和参数辨识的实验平台,图, 为浚平台的自动采集和参数辨识的硬件结构,下面对部分硬件功能进行说明。 图. 自动采集和参数辨识硬件结构图 .. 通讯总线 总线是 的简称。随着科研和生产的现代化发 展,对测试技术的要求也越来越高,而传统仪器那种独立使用、手动操作的模式,上海大学硕士学位论文 难以胜任这种复杂的多任务的测量要求。近几年来,计算机技术得到了迅猛发展, 其丰富的软、硬件资源以及低廉的价格,使得计算机在测试系统领域巾发挥了极其 重要的作用。利用计算机实现对仪器的操作及控制,代替传统的人工操作方式,可 以排除人为因素造成的测量误差,实现自动测试,提高测试效率和精度。要实现波 形的自动采集,计算机和测试仪器的通信成为一个必须解决的问题。由于测试仪器 种类繁多,难以使仪器的信号设置、逻辑电平及接口功能等实行统一的标准。为适 应这种需求,公司于年提出了针对智能仪器的接口总线标准?,这是 最早出现的通用仪器总线标准。随后,和专业小组人员对其进行了研究, 分别于年和年把它定为标准和标准。年月美国 国家标准化研究所颁布了. .标准,将标准作为美国标准。 年又将原标准作个别修订定名为.,并于颁布了 ..标准,对设备消息的编码格式作了进一步的标准化。接口就像 一座桥梁把可编程仪器与计算机紧密的联系起来,实现了两者之间的通信。由于传 输数据的快速性,使得卡在需要快速、大量传输数据的场合得到了广泛的应 用。在本系统中我们采用的是美国公司的接广卡““。 是一个位并行通用接口总线,其传输率达到./,系统可带 台设备;总线有根数据线,根握手线,根接口控制线,根地线。根数 据线从到用来传送命令、地址和数据。根接口控制线分别为 线、 线、 线、 线和 线。它们是用来管理通过接口的有序信息流。根握手线分别为 线、 线和 线。这根握手线用于控制设备间的 消息传输,发送消息方和接受消息方利用这根握手线进行链锁挂钩,以保证数据 线上传输消息的正确。在连接方式上,既可以总线式连接,也可以星型连接。 为系统设备定义了种属性:控者,讲者,听者 。控者通常是计算机,它对总线上的数据流进行管理;讲者负责发送仪器 设备的命令和数据;听者负责接受这些命令和数据。设备可具有其中的一种、两种 和三种属性,例如程控数字示波器接受程控命令,因此具有听者属性。而当它将测上海大学硕士学位论文 试结果送给控者时,它又具有讲者的属性。机通常是控者,具有控、讲和听三种 属性。所有设备都必须分配一个地址,其地址范围为:~。当控者 要和设备通信时,就可以使它们的地址成为听地址和讲地址。表,为 寻址命令字格式。地址位的第六位是 “,第五位是 。例如一台设备的地址为,则控者送,使该设备成为讲者。因为控者 地址通常为,所以使命令字为,其本身就成为听者。 表. 寻址命令字格式 。地址一 是位并行通用接口总线。其通用性大大简化了通讯软、硬件的设计,只 需进行简单的电缆连接,就可以开始软件的开发。它提供高速度的数据传输 /,传输距离最大可达。与一相比,具有绝对的速度优势, 当然其价格也不菲。 ..程控数字示波器 数字存储示波器 ,简称为是随着数字电路的 发展而发展起来的一种新型示波器。它是将被测模拟信号进行模数转换、存储,再 以数字或模拟信号方式显示的一种示波器。 数字示波器的基本原理是将输入被测连续模拟信号由~转换器变换成离散 数字信号,存储于存储器中,通过光栅扫描将数字信息变换成模拟波形显示在示波 管上,或者直接经过变换显示在显示器上。与模拟示波器相比,数字存储示波器具 有存储时间长,能捕捉触发点前的信号,可通过接口将数据共享等特点。 数字示波器使用过程中要注意以下几个问题“”: 取样方式 示波器的取样方式分实时取样和