N-Channel IGBT

Биполярный транзистор изолированного затвора N-канала

Библиотека:
Simscape / Электрический / Semiconductors & Converters

Описание

Блок N-Channel IGBT моделирует Биполярный транзистор изолированного затвора (IGBT). Блок обеспечивает два основных варианта моделирования, доступные путем щелчка правой кнопкой по блоку по блок-схеме и затем выбирания подходящей опции из контекстного меню, под Simscape> Block choices:

Full I-V and capacitance characteristics — Этим вариантом является подробная модель компонента, подходящая для симуляции подробных характеристик переключения и предсказания потерь компонента. Этот вариант, в свою очередь, обеспечивает два способа смоделировать IGBT:
- Как эквивалентная схема на основе биполярного транзистора PnP и N-channel MOSFET. Для получения дополнительной информации об использовании этой модели смотрите Представление Эквивалентной схемой, Подстраивая Характеристики Текущего Напряжения, и Моделируя Температурную Зависимость.
- Приближением двумерной интерполяционной таблицы к I-V (текущее напряжение) кривая. Для получения дополнительной информации смотрите Представление двумерной интерполяционной таблицей.
- 3-D приближением интерполяционной таблицы к I-V кривая (текущего напряжения), которая включает температурные данные. Для получения дополнительной информации смотрите Представление 3-D Интерполяционной таблицей.
Емкость перехода логического элемента в подробной модели представлена как фиксированная емкость эмиттера логического элемента _CGE и или фиксированное или нелинейная емкость коллектора логического элемента _GC C. Для получения дополнительной информации см. Модель Заряда.
Simplified I-V characteristics and event-based timing — Этот различные модели IGBT проще при помощи только данных I-V на состоянии как функция эмиттерного коллектором напряжения. В от состояния (эмиттерное логическим элементом напряжение меньше, чем Threshold voltage, Vth), IGBT моделируется постоянным Off-state conductance. Эта упрощенная модель подходит, когда аппроксимированные динамические характеристики достаточны, и скорость симуляции первостепенной важности. Для получения дополнительной информации смотрите Основанный на событии Вариант IGBT.

Вместе с тепловыми вариантами порта (см. Тепловой Порт), блок поэтому предоставляет вам четыре варианта. Чтобы выбрать желаемый вариант, щелкните правой кнопкой по блоку по своей модели. Из контекстного меню выберите Simscape> Block choices, и затем одна из следующих опций:

Модель Full I-V and capacitance characteristics | No thermal port — Detailed, которая не симулирует эффекты выработанного тепла и температуры устройства. Это значение по умолчанию.
Модель Full I-V and capacitance characteristics | Show thermal port — Detailed с осушенным тепловым портом.
Simplified I-V characteristics and event-based timing | No thermal port — Упрощенная основанная на событии модель, которая также не симулирует эффекты выработанного тепла и температуры устройства.
Simplified I-V characteristics and event-based timing | Show thermal port — Упрощенная основанная на событии модель с осушенным тепловым портом.

Представление эквивалентной схемой

Эквивалентная схема подробного варианта блока состоит из блока PNP Bipolar Transistor, управляемого блоком N-Channel MOSFET как показано в следующем рисунке:

Источник MOSFET соединяется с коллектором биполярного транзистора, и дренаж MOSFET соединяется с основой биполярного транзистора. MOSFET использует пороговые уравнения, показанные на странице с описанием блока N-Channel MOSFET. Биполярный транзистор использует уравнения, показанные на странице с описанием блока PNP Bipolar Transistor, но со сложением содействующего параметра эмиссии N, который масштабирует kT/q.

Блок N-Channel IGBT использует на, и от характеристик вы задаете в диалоговом окне блока, чтобы оценить значения параметров для базового N-Channel MOSFET и биполярного транзистора PnP.

Блок использует от характеристик, чтобы вычислить основное эмиттерное напряжение, _Vbe и текущее насыщение, _IS.

Когда транзистор выключен, эмиттерное логическим элементом напряжение является нулем, и напряжение основного коллектора IGBT является большим, таким образом, основа PnP и уравнения тока коллектора упрощают до:

$\begin{array}{l} I_{b} = 0 = - I_{s} [\frac{1}{β_{F}} (e^{- q V_{b e} / (N k T)} - 1) - \frac{1}{β_{R}}] \\ I_{c} = - I_{s} [e^{- q V_{b e} / (N k T)} (1 + \frac{V_{b c}}{V_{A F}}) + \frac{1}{β_{R}}] \end{array}$

где N является значением параметров Emission coefficient, N, _VAF является прямым Ранним напряжением, и _Ic и _Ib заданы как положительное течение в коллектор и основу, соответственно. Смотрите страницу с описанием PNP Bipolar Transistor для определений остающихся переменных. Первое уравнение может быть решено для _Vbe.

Основной ток является нулем во вне условия, и следовательно _Ic = –_Ices, где _Ices является Нулевым током коллектора напряжения затвора. Напряжение основного коллектора, _Vbc, дано _Vbc = _Vces + _Vces, где _Vces является напряжением, при котором измеряется _Ices. Следовательно мы можем переписать второе уравнение можно следующим образом:

$I_{c e s} = I_{s} [e^{- q V_{b e} / (N k T)} (1 + \frac{V_{c e s} + V_{b e}}{V_{A F}}) + \frac{1}{β_{R}}]$

Блок устанавливает _βR и _βF к типичным значениям 1 и 50, таким образом, эти два уравнения могут использоваться, чтобы решить для _Vbe и _IS:

$\begin{array}{l} V_{b e} = \frac{- N k T}{q} \log (1 + \frac{β_{F}}{β_{R}}) \\ I_{s} = \frac{I_{c}}{e^{- q V_{b e} / (N k T)} + \frac{1}{β_{R}}} \end{array}$

Примечание

Блок не требует точного значения для _βF, потому что это может настроить, MOSFET получают K, чтобы гарантировать, что полное усиление устройства правильно.

Параметры блоков Collector-emitter saturation voltage, Vce(sat) и Collector current at which Vce(sat) is defined используются, чтобы определить _Vbe(sat) путем решения следующего уравнения:

$I_{c e (s a t)} = I_{s} [e^{- q V_{b e (s a t)} / (N k T)} (1 + \frac{V_{c e (s a t)} + V_{b e (s a t)}}{V_{A F}}) + \frac{1}{β_{R}}]$

Учитывая это значение, блок вычисляет усиление MOSFET, K, с помощью следующего уравнения:

$I_{d s} = I_{b} = K [(V_{G E (s a t)} - V_{t h}) V_{d s} - \frac{V_{d s}^{2}}{2}]$

где _Vth является значением параметров Gate-emitter threshold voltage, Vge(th), и _VGE(sat) является значением параметров Gate-emitter voltage at which Vce(sat) is defined.

_Vds связан с транзисторными напряжениями как _Vds = _Vce – _Vbe. Блок заменяет этим отношением _Vds, устанавливает основное эмиттерное напряжение и основной ток к их влажным значениям, и перестраивает уравнение MOSFET, чтобы дать

$K = \frac{I_{b (s a t)}}{[(V_{G E (s a t)} - V_{t h}) (V_{b e (s a t)} + V_{c e (s a t)}) - \frac{{(V_{b e (s a t)} + V_{c e (s a t)})}^{2}}{2}]}$

где _Vce(sat) является значением параметров Collector-emitter saturation voltage, Vce(sat).

Эти вычисления гарантируют, что нулевому току коллектора напряжения затвора и эмиттерному коллектором напряжению насыщения точно соответствуют при этих двух заданных условиях. Однако графики текущего напряжения очень чувствительны к коэффициенту эмиссии N и точное значение _Vth. Если таблица данных производителя дает графики текущего напряжения для различных значений _VGE, то N и _Vth могут быть настроены вручную, чтобы улучшить соответствие.

Представление двумерной интерполяционной таблицей

Для представления интерполяционной таблицы подробного варианта блока вы вводите сведенные в таблицу значения для тока коллектора как функция эмиттерного логическим элементом напряжения и эмиттерного коллектором напряжения. Основным преимуществом использования этой опции является скорость симуляции. Это также позволяет вам параметрировать устройство или от результатов измерений или из данных, полученных из другой среды симуляции. Чтобы сгенерировать ваши собственные данные из представления эквивалентной схемы, можно использовать тестовую обвязку, такой как показано в примере Характеристик IGBT.

Представление интерполяционной таблицы комбинирует все компоненты эквивалентной схемы (транзистор PnP, N-channel MOSFET, резистор коллектора и эмиттерный резистор) в одну эквивалентную интерполяционную таблицу.

Представление 3-D интерполяционной таблицей

Для температурно-зависимого представления интерполяционной таблицы подробного варианта блока вы вводите сведенные в таблицу значения для тока коллектора как функция эмиттерного логическим элементом напряжения, эмиттерного коллектором напряжения и температуры.

Если блок, тепловой порт не осушен, то параметр Device simulation temperature на вкладке Temperature Dependence позволяет вам задать температуру симуляции.

Модель заряда

Подробный вариант емкостей перехода моделей блока или фиксированными значениями емкости, или сведенными в таблицу значениями как функция эмиттерного коллектором напряжения. В любом случае можно или непосредственно задать значения эмиттерной логическим элементом и емкости коллекторного перехода логического элемента или позволить блоку вывести их из входа и инвертировать значения емкости передачи. Поэтому опции Parameterization для модели заряда на вкладке Junction Capacitance:

Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance — Обеспечьте зафиксированные значения параметров от таблицы данных и позвольте блоку преобразовать вход и инвертируйте значения емкости передачи к значениям емкости перехода, аналогичным описанному ниже. Это - метод по умолчанию.
Specify fixed gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance — Введите фиксированные значения для параметров емкости перехода непосредственно.
Specify tabulated input, reverse transfer and output capacitance — Обеспечьте сведенную в таблицу емкость и эмиттерные коллектором значения напряжения на основе графиков таблицы данных. Блок преобразует вход и противоположные значения емкости передачи к значениям емкости перехода, аналогичным описанному ниже.
Specify tabulated gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance — Введите сведенные в таблицу значения для емкостей перехода и эмиттерного коллектором напряжения.

Используйте одну из сведенных в таблицу опций емкости (Specify tabulated input, reverse transfer and output capacitance или Specify tabulated gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance) когда таблица данных предоставляет график емкостей перехода как функция эмиттерного коллектором напряжения. Используя сведенную в таблицу емкость значения дадут более точные динамические характеристики и избегают потребности к итеративно настройкам параметров, чтобы соответствовать динамике.

Если вы используете Specify fixed gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance или Specify tabulated gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance опция, вкладка Junction Capacitance позволяет вам задать Gate-emitter junction capacitance, Gate-collector junction capacitance и значения параметров Collector-emitter junction capacitance (зафиксированный или сведенный в таблицу) непосредственно. В противном случае блок выводит их из Input capacitance, Cies, Reverse transfer capacitance, Cres и значений параметров Output capacitance, Coes. Эти два метода параметризации связаны можно следующим образом:

_CGC = Cres
_CGE = Cies – Cres
_CE C = Coes – Cres

Две фиксированных опции емкости (Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance или Specify fixed gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance) позвольте вам, модель пропускает емкость перехода как фиксированную емкость эмиттера логического элемента _GE C и или фиксированное или нелинейная емкость коллектора логического элемента _GC C. Если вы выбираете Gate-collector charge function is nonlinear опция для параметра Charge-voltage linearity, затем отношение заряда коллектора логического элемента задано кусочной линейной функцией, показанной в следующем рисунке.

С этой нелинейной емкостью эмиттерные логическим элементом и эмиттерные коллектором профили напряжения принимают форму, показанную в следующей фигуре, где эмиттерное коллектором падение напряжения имеет две области (пометил 2 и 3), и эмиттерное логическим элементом напряжение имеет две постоянные времени (до и после порогового напряжения V _th):

Можно определить конденсаторные значения для Cies, Cres и _вола C можно следующим образом, приняв, что логический элемент IGBT проезжается внешнее сопротивление R _G:

Установите Cies становиться правильным постоянный во времени для _GE V в области 1. Постоянная времени задана продуктом Cies и R _G. В качестве альтернативы можно использовать значение таблицы данных в Cies.
Установите Cres, чтобы достигнуть правильного градиента _VCE в области 2. Градиент дан (_VGE – _Vth) / (Cres · R _G).
Установите _VCox на напряжение, при котором градиент _VCE изменяет минус пороговое напряжение V th.
Установите _Cox получать правильную длину Миллера и постоянную времени в области 4.

Поскольку базовая модель является упрощением фактического распределения заряда, некоторая итерация этих четырех шагов может потребоваться, чтобы получать лучшую полную подгонку к результатам измерений. Хвост тока коллектора, когда IGBT выключен, определяется параметром Total forward transit time.

Примечание

Поскольку эта реализация блока включает модель заряда, необходимо смоделировать импеданс схемы, управляющей логическим элементом, чтобы получить представительный поворот - на и выключить динамику. Поэтому, если вы упрощаете управляющую схему логического элемента путем представления его как управляемого источника напряжения, необходимо включать подходящий последовательный резистор между источником напряжения и логическим элементом.

Подстройка характеристик Текущего Напряжения

Для представления эквивалентной схемы подробной модели используйте параметры на вкладке Advanced, чтобы подстроить характеристики текущего напряжения смоделированного устройства. Чтобы использовать эти дополнительные параметры эффективно, вам будет нужна таблица данных производителя, которая предоставляет графики тока коллектора по сравнению с эмиттерным коллектором напряжением для различных значений эмиттерного логическим элементом напряжения. Параметры на вкладке Advanced оказывают следующие влияния:

Параметр Emission coefficient, N управляет формой кривых текущего напряжения вокруг источника.
Collector resistance, RC и параметры Emitter resistance, RE влияют на наклон кривой текущего напряжения в более высоких токах, и, когда полностью включено высоким эмиттерным логическим элементом напряжением.
Параметр Forward Early voltage, VAF влияет на форму кривых текущего напряжения для эмиттерных логическим элементом напряжений вокруг Gate-emitter threshold voltage, Vge(th).

Моделирование температурной зависимости

Для представления двумерной интерполяционной таблицы электрические уравнения не зависят от температуры. Однако можно смоделировать температурную зависимость или использованием 3-D представления интерполяционной таблицы, или при помощи представления эквивалентной схемы подробной модели.

Для представления эквивалентной схемы температурная зависимость моделируется температурной зависимостью составляющих компонентов. Смотрите страницы с описанием блока N-Channel MOSFET и PNP Bipolar Transistor для получения дополнительной информации об уравнениях определения.

Некоторые таблицы данных не предоставляют информацию о нулевом токе коллектора напряжения затвора, Ices, при более высокой температуре измерения. В этом случае можно альтернативно задать энергетический кризис, EG, для устройства, с помощью типичного значения в полупроводниковом типе. Для кремния энергетическим кризисом обычно является 1.11 eV.

Основанный на событии вариант IGBT

Эта реализация имеет намного более простые уравнения, чем это с полным I-V и характеристиками емкости. Используйте основанный на событии вариант, когда особое внимание анализа должно будет изучить полное поведение схемы, а не проверять точную синхронизацию IGBT или характеристики потерь.

Устройство всегда находится в одном из следующих четырех состояний:

'off'
Включение
На
Выключение

В от состояния, отношения между током коллектора (i _c) и эмиттерным коллектором напряжением (_vce)

_ic = _Goff _vce

(1)

В на состоянии, отношении между током коллектора (_ic) и эмиттерным коллектором напряжением (_vce)

_vce = tablelookup (_ic)

(2)

При включении эмиттерное коллектором напряжение сползается вниз, чтобы обнулить по времени нарастания, устройство, перемещающееся в на состоянии, когда напряжение падает ниже сведенного в таблицу значения на состоянии. Так же при выключении, эмиттерное коллектором напряжение увеличено по (текущему) времени спада к заданному значению запирающего напряжения.

Следующий рисунок показывает получившееся напряжение и текущие профили при управлении активной нагрузкой.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы осушить тепловой порт, щелкните правой кнопкой по блоку по своей модели и выберите соответствующий вариант блока:

Для подробной модели выберите Simscape> Block choices> Full I-V and capacitance characteristics | Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отсоединяет параметры Thermal Port.
Для упрощенной основанной на событии модели выберите Simscape> Block choices> Simplified I-V characteristics and event-based timing | Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока, отсоединяет параметры Thermal Port и дополнительные параметры Main. Чтобы симулировать термальные эффекты, необходимо ввести дополнительную таблицу данных для поворота - на и выключить потери и задать эмиттерное коллектором напряжение на состоянии как функцию и текущего и температура.

Используйте тепловой порт, чтобы симулировать эффекты выработанного тепла и температуры устройства. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов и на параметрах Thermal Port, смотрите Термальные эффекты Симуляции в Полупроводниках.

Допущения и ограничения

Подробная модель основана на следующих предположениях:

Этот блок не позволяет вам задавать начальные условия на емкостях перехода. Если вы выбираете опцию Start simulation from steady state в блоке Solver Configuration, блок решает начальные напряжения, чтобы быть сопоставимым с расчетным устойчивым состоянием. В противном случае напряжения являются нулем в начале симуляции.
Вы, возможно, должны использовать ненулевые значения емкости перехода, чтобы предотвратить числовые проблемы симуляции, но симуляция может запуститься быстрее с этими обнуленными значениями.
Блок не составляет температурно-зависимые эффекты на емкостях перехода.

Упрощенная, основанная на событии модель основана на следующих предположениях:

Когда вы будете использовать пару IGBTs в плече мостовой схемы, обычно схема диска логического элемента предотвратит устройство, включающее, пока соответствующее устройство не выключило, таким образом, реализовав минимальную мертвую зону. Если необходимо симулировать случай, где нет никакой минимальной мертвой зоны, и оба устройства на мгновение частично включены, используют подробный вариант модели IGBT (Full I-V and capacitance characteristics). Предположение, используемое основанным на событии вариантом, что эмиттерные коллектором напряжения могут сползаться между на и от состояний, не допустимо для таких случаев.
Минимальная ширина импульса применяется при включении или выключении; в точке, где напряжение коллектора логического элемента повышается выше порога, любые последующие изменения напряжения затвора проигнорированы какое-то время равные сумме задержки при включении и текущего времени нарастания. Так же в точке, где напряжение коллектора логического элемента падает ниже порога, любые последующие изменения напряжения затвора проигнорированы какое-то время равные сумме задержки при выключении и текущего времени спада. Эта опция обычно реализуется в схеме диска логического элемента.
Эта модель не составляет заряд. Следовательно нет никакого текущего хвоста при выключении индуктивной нагрузки.
Представительное моделирование текущего скачка во время поворота - на индуктивной нагрузки с существующим ранее вольным током требует настройки параметра Miller resistance.
Сведенный в таблицу поворот - на переключающейся потере использует предыдущий ток на состоянии, не текущее значение (который не известен, пока устройство не достигает финала на состоянии).
Из-за высокой жесткости модели, которая может явиться результатом упрощенных уравнений, можно получить минимальные предупреждения нарушения размера шага при использовании этого блока. Откройте панель Решателя диалогового окна Configuration Parameters и увеличьте значение параметров Number of consecutive min steps по мере необходимости, чтобы удалить эти предупреждения.

Порты

Сохранение

развернуть все

`C` — Терминал коллектора
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с терминалом эмиттера PnP

`G` — Вывод затвора
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с выводом затвора IGBT

`E` — Эмиттерный терминал
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с терминалом коллектора PnP

Параметры

развернуть все

Основной (значение по умолчанию блокируют вариант),

Эта настройка вкладки Main соответствует подробному варианту блока, который является значением по умолчанию. Если вы используете упрощенный, основанный на событии вариант блока, смотрите Основной (Основанный на событии Вариант Блока).

`I-V characteristics defined by` — Представление IGBT
`Fundamental nonlinear equations` (значение по умолчанию) | `Lookup table (2-D, temperature independent)` | `Lookup table (3-D, temperature dependent)`

Выберите представление IGBT:

Fundamental nonlinear equations — Используйте эквивалентную схему на основе биполярного транзистора PnP и N-channel MOSFET. Это значение по умолчанию.
Lookup table (2-D, temperature independent) — Используйте 2D поиск по таблице в токе коллектора как функция эмиттерного логическим элементом напряжения и эмиттерного коллектором напряжения.
Lookup table (3-D, temperature dependent) — Используйте 3-D поиск по таблице в токе коллектора как функция эмиттерного логическим элементом напряжения, эмиттерного коллектором напряжения и температуры.

`Zero gate voltage collector current, Ices` — Нулевой ток коллектора напряжения затвора
2 `mA` (значение по умолчанию)

Ток коллектора, который течет, когда эмиттерное логическим элементом напряжение обнуляется, и большое эмиттерное коллектором напряжение, применяется, то есть, устройство находится в несостояния. Значение большого эмиттерного коллектором напряжения задано параметром Voltage at which Ices is defined.