Тиристор с использованием транзисторов NPN и PNP
Simscape/Электрические/Полупроводники и преобразователи
Тиристорный блок обеспечивает два способа моделирования тиристора:
Как эквивалентная схема на основе биполярных транзисторов NPN и PNP
Аппроксимация таблицы поиска кривой I-V (ток-напряжение) во включенном состоянии
Эквивалентная схема содержит пару биполярных транзисторов NPN и PNP, как показано на следующей иллюстрации.
Структуру P-N-P-N тиристора согласуют структуры P-N-P и N-P-N биполярных транзисторов, база каждого устройства соединена с коллектором другого устройства. Чтобы эта схема вела себя как тиристор, необходимо выбрать подходящие значения параметров NPN и PNP устройств, а также внешние резисторы. Например, для того, чтобы схема защелкнулась во включенное состояние, после запуска соответствующим током затвора, суммарный коэффициент усиления двух транзисторов должен быть больше единицы. Эта структура модели воспроизводит поведение тиристора в типичных схемах приложения, в то же время представляя минимальное количество уравнений решателю, чтобы улучшить скорость моделирования.
Примечание
Чрезвычайно важно правильно параметризовать тиристорный компонент перед его использованием в модели. Чтобы помочь вам в этом, есть два тестовых жгута в Simscape™ Electrical™ примерах, тиристорная статическая проверка поведения и тиристорная динамическая проверка поведения. Следуйте тексту справки для этих двух примеров, а также таблице данных для вашего устройства, чтобы повторно параметризовать тиристорный компонент так, чтобы он воспроизводил требуемое поведение. Затем можно скопировать параметризованный компонент в модель. Позаботьтесь о правильном моделировании схемы привода затвора, включая последовательное сопротивление цепи. Подключение управляемого источника напряжения непосредственно к тиристорному затвору дает нефизические результаты, поскольку он зажимает затворы к катодному напряжению, когда потребность затворов равна нулю.
Модель фиксирует следующее поведение тиристора:
Токи вне состояния, IDRM и IRRM. Они обычно приводятся для максимальных напряжений вне состояния VDRM и VRRM. Предполагается, что, как и в случае большинства тиристоров, IDRM = IRRM и VDRM = VRRM.
Напряжение триггера затвора равно напряжению соответствующего затвора, V_GT значение параметра, когда ток затвора равен току триггера затвора, I_GT значение параметра.
Тиристор фиксируется, когда ток затвора равен току триггера затвора, I_GT. Тиристор не защелкивается до тех пор, пока ток затвора не достигнет этого значения. Для этого необходимо правильно установить внутренний шунтирующий резистор Rs. Если сопротивление слишком высокое, то затвор срабатывает до того, как ток затвора достигнет iGT. Если сопротивление слишком мало, то затвор не срабатывает.
Значение внутреннего шунтирующего резистора Rs можно определить, запустив моделирование. Чтобы узнать, как это можно сделать, см. пример проверки статического поведения тиристора. Альтернативно, если вы используете тиристор в цепи, где есть внешний резистор RGK, подключенный от затвора к катоду, то эффект Rs обычно очень мал, и он может быть установлен в inf.
Когда тиристор находится во включенном состоянии, если ток затвора удален, тиристор остается во включенном состоянии при условии, что ток нагрузки выше, чем ток удержания. Удерживающий ток не указывается непосредственно, поскольку его значение в первую очередь определяется другими параметрами блока.
Однако на удерживающий ток может влиять параметр Product of NPN и PNP forward current gains на вкладке Advanced. Уменьшение коэффициента усиления увеличивает ток удержания.
Напряжение во включенном состоянии равно напряжению во включенном состоянии, V_T значение параметра, когда ток нагрузки равен току во включенном состоянии, I_T значение параметра. Это обеспечивается значением сопротивления R_on, которое учитывает падение напряжения на устройствах PNP и NPN.
Срабатывание по скорости нарастания напряжения в выключенном состоянии. Быстрое изменение напряжения анод-катод индуцирует ток в емкостных единицах основание-коллектор. Если этот ток достаточно велик, он запускает тиристор во включенное состояние. Программа инициализации тиристора вычисляет подходящее значение емкости базового коллектора, так что, когда скорость изменения напряжения равна критической скорости повышения напряжения в выключенном состоянии, значение параметра dV/dt, тиристор включается. Этот расчет основан на приближении, что требуемым током является vGT/RGK, где RGK - значение сопротивления катода затвора, используемое при цитировании критического значения dV/dt.
Ненулевое управляемое затвором время включения, главным образом под влиянием времени прямого прохождения устройства NPN TF. Этот параметр можно указать непосредственно или вычислить приблизительное значение TF по времени включения.
Ненулевое время переключения, главным образом, под влиянием времени прямого прохождения PNP-устройства, TF. Можно либо указать этот параметр напрямую, либо установить его равным времени прямого перехода для транзистора NPN.
Резисторы Gmin1 и Gmin2 улучшают численную устойчивость при большом прямом и обратном напряжениях. Их значения влияют на токи в нерабочем состоянии не более чем на 1% при максимальных напряжениях в нерабочем состоянии - прямом и обратном.
Примечание
Поскольку эта реализация блока включает в себя модель заряда, необходимо смоделировать импеданс цепи, приводящей в действие затвор, чтобы получить репрезентативную динамику включения и выключения. Поэтому, если вы упрощаете схему привода затвора, представляя ее как управляемый источник напряжения, вы должны включить подходящий последовательный резистор между источником напряжения и затвором.
Если используется представление таблицы поиска, то в качестве функции напряжения анод-катод при включенном состоянии предоставляются табличные значения тока анод-катод. Основными преимуществами использования этой опции являются скорость моделирования и простота параметризации. Для дальнейшего упрощения базовой модели это представление не моделируется:
Срабатывание устройства из-за скорости нарастания напряжения в выключенном состоянии
Время замедленного отключения
Задержка включения представлена входным вентильно-катодным конденсатором, величина которого вычисляется так, что задержка между ростом напряжения затвора и началом включения устройства равна величине, заданной параметром времени задержки включения. Время нарастания тока нагрузки при включении осуществляют путем нелинейного нарастания между нулем и током, определяемым профилем ток-напряжение при включении в течение периода времени, определяемого значением параметра Время нарастания при включении. Следует отметить, что результирующий токовый профиль включения является приближением к фактическому устройству.
Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем в контекстном меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отображает параметры теплового порта.
Используйте тепловой порт для моделирования влияния генерируемого тепла и температуры устройства. Дополнительные сведения об использовании тепловых портов и о параметрах тепловых портов см. в разделе Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках.
Этот блок не моделирует зависящие от температуры эффекты. Этот блок моделируется при температуре, заданной значением параметра Measurement temperature. Для этой температуры должны быть указаны все параметры.
При использовании эквивалентного представления цепи:
В чувствительных схемах затвора (то есть там, где нет внешнего затвора-катодного резистора РГК) необходимо установить значение параметра Внутренний шунтирующий резистор, Rs для обеспечения правильного срабатывания. Если внутреннее шунтирующее сопротивление слишком велико, то тиристор запускает токи меньше iGT. Если внутреннее шунтирующее сопротивление слишком низкое, тиристор не запускает входной ток iGT. Дополнительные сведения об использовании моделирования для определения приемлемого значения сопротивления внутреннего шунта см. в примере проверки статического поведения тиристора.
Срабатывание при превышении напряжения пробоя не моделируется.
Численно тиристор может требовать моделирования, учитывая очень малые токи затвора по сравнению с током нагрузки, а также очень крутые градиенты тока во время переключения. Однако для большинства типичных схем на основе тиристоров можно использовать параметры моделирования по умолчанию. В некоторых случаях для обеспечения сходимости может потребоваться ужесточить параметры Абсолютный допуск (Absolute Tolerance) и Относительный допуск (Relative Tolerance) на вкладке Решатель (Solver) диалогового окна Параметры конфигурации (Configuration Parameters). В таких случаях изменение значения по умолчанию Абсолютный допуск (Absolute Tolerance) с auto кому 1e-4 или 1e-5 обычно достаточно, поскольку это предотвращает адаптивное изменение этого параметра во время моделирования.
Токи утечки аппроксимируются диодами D1 и D2, как показано в эквивалентной схеме. Этот подход предполагает, что утечка через два транзистора невелика по сравнению. Это предположение недопустимо для значений vGT, которые значительно меньше, чем типичное падение напряжения в прямом направлении 0,6 В.
При использовании представления таблицы подстановки:
Не моделируется срабатывание по превышению напряжения пробоя или по скорости изменения напряжения в выключенном состоянии.
Время коммутируемого отключения не моделируется. Убедитесь, что схема не нарушает указанное время коммутируемого отключения тиристора.
При задании времени подъема при включении результирующий профиль текущего времени является аппроксимацией.
[1] Г. Массобрио и П. Антогнетти. Моделирование полупроводниковых приборов с помощью SPICE. 2-е издание, McGraw-Hill, 1993.
