N-Channel IGBT

Двухполюсный транзистор с N-образной изоляцией затвора

Библиотека:
Simscape/Электрический/Полупроводники и конвертеры

Описание

Блок N-Channel IGBT моделирует биполярный транзистор с изолированным ключом (IGBT). Блок предоставляет два основных варианта моделирования, доступных путем щелчка правой кнопкой мыши по блоку в вашей блок-схеме и последующего выбора соответствующей опции из контекстного меню, в разделе Simscape > Block choices:

Full I-V and capacitance characteristics - Этот вариант является детальной моделью компонента, подходящей для симуляции детальных характеристик переключения и прогнозирования потерь компонента. Этот вариант, в свою очередь, предоставляет два способа моделирования IGBT:
- Как эквивалентная схема, основанная на PNP биполярном транзисторе и N-канале MOSFET. Для получения дополнительной информации об использовании этой модели см. «Представление эквивалентной схемой», «Тонкая настройка характеристик тока и напряжения» и «Моделирование температурной зависимости».
- По двумерной интерполяционной таблице аппроксимации к кривой I-V (ток-напряжение). Для получения дополнительной информации смотрите Представление двумерную интерполяционную таблицу.
- По 3-D интерполяционной таблице приближение к кривой I-V (ток-напряжение), которая включает данные о температуре. Для получения дополнительной информации смотрите Представление 3-D Интерполяционную таблицу.
Емкость соединения затвора в детальной модели представлена в виде фиксированной емкости _CGE и фиксированной или нелинейной емкости коллектора затвора C _GC. Для получения дополнительной информации смотрите Модель заряда .
Simplified I-V characteristics and event-based timing - Этот вариант моделирует IGBT более просто, используя только включенные данные I-V как функцию напряжения коллектора-эмиттера. В выключенном состоянии (напряжение затвора-эмиттера менее Threshold voltage, Vth) IGBT моделируется постоянной Off-state conductance. Эта упрощенная модель подходит, когда достаточно приблизительных динамических характеристик, и скорость симуляции имеет первостепенное значение. Для получения дополнительной информации см. Event-Based IGBT Variant.

Вместе с вариантами теплового порта (см. Тепловой порт), блок поэтому предоставляет вам четыре варианта выбора. Чтобы выбрать нужный вариант, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели. В контекстном меню выберите Simscape > Block choices, а затем один из следующих опций:

Full I-V and capacitance characteristics | No thermal port - Детальная модель, которая не моделирует эффекты сгенерированного тепла и температуры устройства. Это значение по умолчанию.
Full I-V and capacitance characteristics | Show thermal port - Детальная модель с пустым тепловым портом.
Simplified I-V characteristics and event-based timing | No thermal port - Упрощенная основанная на событиях модель, которая также не моделирует эффекты сгенерированного тепла и температуры устройства.
Simplified I-V characteristics and event-based timing | Show thermal port - Упрощенная основанная на событиях модель с пустым тепловым портом.

Представление эквивалентной схемой

Эквивалентная схема варианта детализированного блока состоит из блока PNP Bipolar Transistor, управляемого блоком MOSFET N-канала, как показано на следующем рисунке:

Источник MOSFET соединяется с биполярным транзисторным коллектором, а сток MOSFET соединяется с основой биполярного транзистора. MOSFET использует основанные на пороге уравнения, показанные на N-Channel MOSFET странице с описанием блока. Биполярный транзистор использует уравнения, показанные в PNP Bipolar Transistor блочной страницы с описанием, но с сложением параметра коэффициента излучения N который масштабирует kT/q.

Блок N-Channel IGBT использует характеристики включения и выключения, которые вы задаете в диалоговом окне блока, чтобы оценить значения параметров для базовых N-канальных MOSFET и PNP биполярных транзисторов.

Блок использует характеристики off, чтобы вычислить напряжение базового эмиттера, _Vbe и ток насыщения, _IS.

Когда транзистор выключен, напряжение затвора-эмиттера равняется нулю, и напряжение IGBT-коллектора большое, поэтому уравнения основы и тока коллектора PNP упрощают:

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

где N - Emission coefficient, N значение параметров, _VAF - прямое Раннее напряжение, и _Ic и _Ib заданы как положительные, вытекающие в коллектор и основу, соответственно. Определения остальных переменных см. в PNP Bipolar Transistor страницы с описанием. Первое уравнение можно решить для _Vbe.

Базовый ток равен нулю в выключенном состоянии, и, следовательно _Ic = - _Ices, где _Ices - ток коллектора напряжения нулевого затвора. Напряжение коллектора базы, _Vbc, задается _Vbc = _Vces + _Vces, где _Vces - напряжение, при котором _Ices измеряется. Следовательно, мы можем переписать второе уравнение 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 _βR и _βF к типичным значениям 1 и 50, поэтому 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 он может настроить усиление MOSFET K чтобы убедиться, что общее усиление устройства верно.

Параметры блоков используются для определения 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 коэффициент усиления MOSFET, K, используя следующее уравнение:

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

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

_Vds связано с напряжениями транзистора как _Vds = _Vce - _Vbe. Блок подставляет это соотношение на _Vds, устанавливает напряжение базового эмиттера и базовый ток на их насыщенные значения и переставляет 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) - Collector-emitter saturation voltage, Vce(sat) значение параметров.

Эти вычисления гарантируют, что ток коллектора нулевого напряжения затвора и напряжение насыщения коллектора-эмиттера точно выполняются при этих двух заданных условиях. Однако графики напряжения тока очень чувствительны к коэффициенту излучения N и точному значению _Vth. Если лист таблиц данных производителя дает графики напряжения тока для различных значений _VGE, то N и _Vth могут быть настроены вручную, чтобы улучшить соответствие.

Представление по двумерной интерполяционной таблице

Для представления интерполяционной таблицы варианта детализированного блока, вы предоставляете сведенные в таблицу значения для тока коллектора как функции напряжения затвора-излучателя и напряжения коллектора-излучателя. Основным преимуществом использования этой опции является скорость симуляции. Это также позволяет вам параметризовать устройство из измеренных данных или из данных, полученных из другой среды симуляции. Чтобы сгенерировать собственные данные из эквивалентного представления схемы, можно использовать тестовую обвязку, такой как показано в примере IGBT Characteristics.

Представление интерполяционной таблицы объединяет все компоненты эквивалентной схемы (PNP транзистор, N-канал MOSFET, резистор коллектора и резистор эмиттера) в одну эквивалентную интерполяционную таблицу.

Представление по 3-D Интерполяционным таблицам

Для представления интерполяционной таблицы, зависящей от температуры, подробного варианта блока, вы предоставляете сведенные в таблицу значения для тока коллектора как функции напряжения затвора-эмиттера, напряжения коллектора-эмиттера и температуры.

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

Модель заряда

Подробный вариант блока моделирует соединительные емкости либо по фиксированным емкостным значениям, либо по сведенным в таблицу значениям как функцию от напряжения коллектора-эмиттера. В любом случае можно либо непосредственно задать значения емкости соединения затвор-эмиттер и затвор-коллектор, либо позволить блоку вывести их из значений входной и обратной передаточной емкости. Поэтому опции Parameterization для модели заряда на вкладке Junction Capacitance:

Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance - Обеспечьте фиксированные значения параметров из таблицы данных и дайте блоку преобразовать входные и обратные значения емкости передачи в значения емкости соединения, как описано ниже. Это метод по умолчанию.
Specify fixed gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance - Задайте фиксированные значения параметров емкости соединения непосредственно.
Specify tabulated input, reverse transfer and output capacitance - Обеспечить табличные значения емкостных и коллекторно-эмиттерных напряжений на основе графиков таблиц данных. Блок преобразует входные и обратные значения емкости переноса в значения емкости соединения, как описано ниже.
Specify tabulated gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance - Предоставить табличные значения для соединительных емкостей и напряжения коллектора-эмиттера.

Используйте один из табличных 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 соединительных емкостей как функцию напряжения коллектора-эмиттера. Использование табличных значений емкости даст более точные динамические характеристики и избегает необходимости итерационной настройки параметров в соответствии с динамикой.

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 задавать Gate-emitter junction capacitance, Gate-collector junction capacitance и Collector-emitter junction capacitance значения параметров (фиксированные или табличные) непосредственно. В противном случае блок выводит их из Input capacitance, Cies, Reverse transfer capacitance, Cres и Output capacitance, Coes значений параметров. Эти два метода параметризации связаны следующим образом:

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

Двух фиксированных емкостных опций (Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance или Specify fixed gate-emitter, gate-collector and collector-emitter capacitance) позвольте вам смоделировать емкость соединения затвора как фиксированную емкость затвора-эмиттера C _GE и фиксированную или нелинейную емкость затвора-коллектора _C GC. Если вы выбираете Gate-collector charge function is nonlinear опция для параметра Charge-voltage linearity, тогда отношение заряда затвора и коллектора определяется кусочно-линейной функцией, показанной на следующем рисунке.

С этой нелинейной емкостью графики напряжения затвора-эмиттера и коллектора-эмиттера принимают форму, показанную на следующем рисунке, где падение напряжения коллектора-эмиттера имеет две области (обозначенные 2 и 3), а напряжение затвора-эмиттера имеет две временные константы (до и после порогового напряжения V _th):

Можно определить значения конденсатора для Cies, Cres и C _ox следующим образом, принимая, что ворота IGBT управляются через внешнее сопротивление _R G:

Установите Cies, чтобы получить правильную постоянную времени для V _GE в области 1. Временная константа определяется продуктом Cies и _R G. Кроме того, можно использовать значение таблицы данных для Cies.
Установите Cres так, чтобы достичь правильного градиента _VCE в Области 2. Градиент задается как (_VGE - _Vth )/( Cres· _R G).
Установите _VCox на напряжение, при котором изменяется градиент _VCE минус пороговое напряжение V th.
Установите _Cox, чтобы получить правильную длину Миллера и постоянную времени в области 4.

Поскольку базовая модель является упрощением фактического распределения заряда, может потребоваться некоторая итерация этих четырех шагов, чтобы получить лучшую общую подгонку к измеренным данным. Конец тока коллектора, когда IGBT выключен, определяется параметром Total forward transit time.

Примечание

Поскольку эта реализация блока включает модель заряда, вы должны смоделировать импеданс схемы, приводящей в действие ворота, чтобы получить репрезентативную динамику включения и выключения. Поэтому, если вы упрощаете схему управления затвором, представляя ее как управляемый источник напряжения, вы должны включать подходящий последовательный резистор между источником напряжения и затвором.

Тонкая настройка характеристик тока и напряжения

Для представления эквивалентной схемы детализированной модели используйте параметры на вкладке Advanced, чтобы точно настроить характеристики тока и напряжения моделируемого устройства. Чтобы эффективно использовать эти дополнительные параметры, вам понадобится таблица данных производителя, который обеспечивает графики тока коллектора от напряжения коллектора-эмиттера для различных значений напряжения затвора-эмиттера. Параметры на вкладке Advanced имеют следующие эффекты:

Параметр Emission coefficient, N управляет формой кривых тока-напряжения вокруг источника.
Параметры Collector resistance, RC и Emitter resistance, RE влияют на наклон кривой ток-напряжение при более высоких токах, и при полном включении высоким напряжением затвора-излучателя.
Параметр Forward Early voltage, VAF влияет на форму кривых ток-напряжение для напряжений затвора-эмиттера вокруг Gate-emitter threshold voltage, Vge(th).

Моделирование температурной зависимости

Для представления двумерные интерполяционные таблицы электрические уравнения не зависят от температуры. Однако можно смоделировать температурную зависимость либо с помощью представления 3-D интерполяционной таблицы, либо с помощью эквивалентного представления схемы детализированной модели.

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

Некоторые таблицы данных не предоставляют информацию о токе коллектора нулевого напряжения затвора, Ices, при более высокой температуре измерения. В этом случае можно альтернативно задать энергетическую погрешность, EG для устройства, используя типовое значение для полупроводникового типа. Для кремния энергетическая погрешность обычно 1.11 eV.

Основанный на событиях вариант IGBT

Эта реализация имеет намного более простые уравнения, чем с полными I-V и емкостными характеристиками. Используйте основанный на событиях вариант, когда особое внимание анализа состоит в том, чтобы понять общее поведение схемы, а не в том, чтобы проверить точные характеристики времени или потерь IGBT.

Устройство всегда находится в одном из следующих четырех состояний:

Прочь
Включение
На
Выключение

В выключенном состоянии отношение между током коллектора (i c) и напряжением коллектора-эмиттера (_vce) является

_ic = _{<reservedrangesplaceholder1> <reservedrangesplaceholder0>}

(1)

В включенном состоянии отношение между током коллектора (_ic) и напряжением коллектора-эмиттера (_vce) является

_vce = tablelookup (_ic)

(2)

При включении напряжение коллектора-эмиттера растёт до нуля за время нарастания, и устройство переходит во включенное состояние, когда напряжение падает ниже табличного значения в состоянии. Точно так же при выключении напряжение коллектора-эмиттера растёт в течение времени спада (тока) до заданного значения блокирующего напряжения.

Следующий рисунок показывает результирующие профили напряжения и тока при движении резистивной нагрузки.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в вашей модели и выберите соответствующий вариант блока:

Для получения 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 отображает параметры Thermal Port.
Для упрощенной модели, основанной на событиях, выберите Simscape > Block choices > Simplified I-V characteristics and event-based timing | Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт, H на значке блока, отображает Thermal Port параметры и дополнительные параметры Main. Чтобы симулировать термальные эффекты, вы должны предоставить дополнительные табличные данные для потерь при включении и выключении и определить напряжение в состоянии коллектора-эмиттера как функцию как тока, так и температуры.

Используйте тепловой порт, чтобы симулировать эффекты сгенерированного тепла и температуры устройства. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов и о параметрах Thermal Port, смотрите Симуляция Термальных эффектов в Полупроводниках.

Допущения и ограничения

Подробная модель основана на следующих допущениях:

Этот блок не позволяет вам задать начальные условия на соединительных емкостях. Если вы выбираете опцию Start simulation from steady state в блоке Solver Configuration, блок решает, что начальные напряжения согласуются с вычисленным установившимся состоянием. В противном случае напряжения равны нулю в начале симуляции.
Вам, возможно, потребуется использовать ненулевые значения емкости соединения, чтобы предотвратить числовые проблемы симуляции, но симуляция может выполняться быстрее с этими значениями, установленными на нуль.
Блок не учитывает зависящие от температуры эффекты на соединительные емкости.

Упрощенная, основанная на событиях модель основана на следующих допущениях:

Когда вы используете пару IGBT в рычаге моста, обычно схема привода затвора будет препятствовать включению устройства до тех пор, пока соответствующее устройство не выключено, тем самым реализуя минимальную мертвую полосу. Если вам нужно симулировать случай, когда нет минимальной мертвой полосы, и оба устройства мгновенно частично включены, используйте подробный вариант модели IGBT (Full I-V and capacitance characteristics). Предположение, используемое основанным на событиях вариантом, что напряжения коллектора-эмиттера могут быть перемещены между состояниями включения и выключения, не допустимо для таких случаев.
Минимальная ширина импульса применяется при включении или выключении; в точке, где напряжение затвора-коллектора поднимается выше порога, любые последующие изменения напряжения затвора игнорируются в течение времени, равного сумме задержки включения и времени нарастания тока. Точно так же в точке, где напряжение коллектора затвора падает ниже порога, любые последующие изменения напряжения затвора игнорируются в течение времени, равного сумме задержки отключения и времени спада тока. Эта функция обычно реализована в схеме привода затвора.
Эта модель не учитывает плату. Следовательно, при отключении индуктивной нагрузки нет хвостовика тока.
Репрезентативное моделирование пика тока при включении индуктивной нагрузки с предварительно существующим свободным током требует настройки параметра Miller resistance.
Табличная потеря включения использует предыдущий ток включения, а не текущее значение (которое не известно, пока устройство не достигает окончательного состояния включения).
Из-за высокой жесткости модели, которая может возникнуть из-за упрощенных уравнений, вы можете получить минимальные предупреждения о нарушении размера шага при использовании этого блока. Откройте панель Решателя диалогового окна Параметров конфигурации и увеличьте Number of consecutive min steps значения параметров при необходимости, чтобы удалить эти предупреждения.

Порты

Сохранение

расширить все

`C` - Клемма коллектора
электрический

Электрический порт сопоставлен с клеммой эмиттера PNP

`G` - Терминал управления ключами
электрический

Электрический порт сопоставлен с клеммой IGBT

`E` - Терминал эмиттера
электрический

Электрический порт сопоставлен с клеммой коллектора PNP

Параметры

расширить все

Главная (вариант блока по умолчанию)

Это строение вкладки Main соответствует подробному варианту блока, который является вариантом по умолчанию. Если вы используете упрощенный, основанный на событиях вариант блока, см. Main (Event-Based Block Variant).

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

Выберите представление IGBT:

Fundamental nonlinear equations - Используйте эквивалентную схему, основанную на PNP биполярном транзисторе и N-канале MOSFET. Это значение по умолчанию.
Lookup table (2-D, temperature independent) - Используйте поиск 2-D таблице для тока коллектора как функции напряжения затвора-эмиттера и напряжения коллектора-эмиттера.
Lookup table (3-D, temperature dependent) - Используйте поиск 3-D таблице для тока коллектора как функции напряжения затвора-эмиттера, напряжения коллектора-эмиттера и температуры.

`Zero gate voltage collector current, Ices` - Ток коллектора нулевого напряжения затвора
`2` `mA` (по умолчанию)

Ток коллектора, который течет, когда напряжение затвора-эмиттера установлено в нуль, и прикладывается большое напряжение коллектора-эмиттера, то есть устройство находится в нерабочем состоянии. Значение большого напряжения коллектора-эмиттера определяется параметром Voltage at which Ices is defined.