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GCT电路仿真模型的建立与验证

杨丹  
【摘要】:集成门极换流晶闸管(IGCT)是在门极可关断晶闸管(GTO)的基础上发展而来的一种大功率电力半导体器件。在中高压电力电子装置及大功率领域具有很好的应用前景。为了拓宽IGCT的应用范围,需要建立一种能准确表征其开关特性的电路仿真模型。本文根据GCT的结构特点与工作原理,提出了一种GCT的M-2T-3R等效电路模型。以4.5kV/4kA的非对称IGCT为例,利用Cadence-Pspice仿真软件研究了 GCT的开关特性,分析了模型参数和门极寄生电感对GCT开关特性的影响,并通过与器件数值分析结果对比,验证了 GCT电路仿真模型的准确性和适用性。主要研究内容如下:首先,简要介绍了 GCT的结构特点及工作原理,根据GCT内部换流过程和双晶体管模型,在GCT门-阴极间引入MOSFET,提出了 GCT单元的M-2T-3R等效电路模型。第二,分析了 GCT多阴极并联结构的特点,将GCT阴极环数等效为并联单元个数,建立了 GCT的M-2T-3R电路仿真模型,确定了模型中PNP晶体管与NPN晶体管的电流放大系数、渡越时间、偏置电容,以及GCT的静态电阻和内部分布电感等模型参数值,分析了关键模型参数对器件开关特性的影响。第三,分析了 M-2T-3R电路仿真模型的准确性和适用性。通过将4.5kV/4kAIGCT的电路模型仿真结果与器件数值分析结果、实测波形及应用手册中的性能指标等进行对比,其关键特性参数基本满足指标要求,表明该模型能较准确地表征GCT的换流过程及开关特性;并将该电路仿真模型分别用于4.5kV/3.6kA和4.5kV/2.2kA系列IGCT,其开关特性仿真曲线与器件数值分析的结果也基本一致,说明该模型可适用于不同电流等级的IGCT。本文建立的GCT电路仿真模型可用于IGCT的驱动与保护电路的设计及应用系统的仿真研究。


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