Thyristor

Тиристор с NPN и PNP транзисторами

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Электрический/Полупроводники и конвертеры

  • Thyristor block

Описание

Блок Thyristor предоставляет два способа моделирования тиристора:

  • Как эквивалентная схема, основанная на NPN и PNP биполярных транзисторах

  • По приближению интерполяционной таблицы к кривой I-V (ток-напряжение) в состоянии включения

Представление эквивалентной схемой

Эквивалентная схема содержит пару NPN и PNP биполярных транзисторов, как показано на следующем рисунке.

Структура P-N-P-N тиристора согласована со структурами P-N-P и N-P-N биполярных транзисторов, основа каждого устройства соединена с коллектором другого устройства. Чтобы убедиться, что эта схема ведет себя как тиристор, необходимо выбрать подходящие значения параметров NPN и PNP устройств, плюс внешние резисторы. Для примера, чтобы схема защелкнулась в включенном состоянии, после запуска подходящим током затвора, суммарный коэффициент усиления двух транзисторов должен быть больше одного. Эта структура модели повторяет поведение тиристора в типичных схемах приложения, в то же время представляя минимальное количество уравнений решателю, чтобы улучшить скорость симуляции.

Примечание

Крайне важно, чтобы вы правильно параметрировали тиристорный компонент, прежде чем использовать его в своей модели. Чтобы помочь вам сделать это, в примерах Simscape™ Electrical™ есть две тестовых обвязок, тиристорная статическая валидация поведения и тиристорная динамическая валидация поведения. Следуйте тексту справки для этих двух примеров плюс таблица данных для вашего устройства, чтобы повторно параметризовать тиристорный компонент, чтобы он повторил необходимое поведение. Затем можно скопировать параметризованный компонент в модель. Позаботьтесь о том, чтобы правильно смоделировать схему привода затвора, включая последовательное сопротивление цепи. Подключение управляемого источника напряжения непосредственно к тиристорному затвору дает нефизические результаты, потому что он зажимает затвор к катодному напряжению, когда потребность в затворе равна нулю.

Модель захватывает следующее тиристорное поведение:

  • Несовпадающие токи, IDRM и IRRM. Они обычно приводятся для максимальных напряжений в нерабочем состоянии VDRM и VRRM. Принято, как и в случае с большинством тиристоров, что IDRM = IRRM и VDRM = VRRM.

  • Напряжение запуска затвора равно Corresponding gate voltage, V_GT значения параметров, когда ток затвора равен Gate trigger current, I_GT значения параметров.

  • Тиристор защелкивается, когда ток затвора равен Gate trigger current, I_GT. Тиристор не защелкивается, пока ток затвора не достигнет этого значения. Чтобы убедиться, что это так, вы должны правильно задать параметр Internal shunt resistor, Rs. Если сопротивление слишком велико, затвор запускается до того, как ток затвора достигает iGT. Если сопротивление слишком мало, то ворота не срабатывают.

    Можно определить значение внутреннего шунтирующего резистора Rs, запустив симуляцию. Чтобы увидеть, как это можно сделать, смотрите пример валидации статического поведения тиристора. В качестве альтернативы, если вы используете тиристор в схеме, где имеется внешний резистор RGK, подключенный от затвора к катоду, то эффект Rs обычно очень мал, и он может быть установлен на inf.

  • Когда тиристор находится в включенном состоянии, если ток затвора удаляется, тиристор остается в включенном состоянии при условии, что ток нагрузки выше, чем ток удержания. Вы не задаете удерживающий ток непосредственно, потому что его значение в основном определяется другими параметрами блоков.

    Однако на удерживающий ток может повлиять параметр Product of NPN and PNP forward current gains на вкладке Advanced. Уменьшение усиления увеличивает ток удержания.

  • Напряжение в состоянии On-state voltage, V_T равно значению параметров, когда ток нагрузки равен значению параметров On-state current, I_T. Это обеспечивается значением R_on сопротивления, которое учитывает падение напряжения, наблюдаемое на устройствах PNP и NPN.

  • Срабатывание скоростью нарастания напряжения вне состояния. Быстрое изменение напряжения анода-катода вызывает ток в терминах емкости коллектора базы. Если этот ток достаточно велик, он запускает тиристор в состояние включения. Стандартная программа инициализации тиристора вычисляет подходящее значение для емкости базового коллектора, так что, когда скорость изменения напряжения равна Critical rate of rise of off-state voltage, dV/dt значению параметров, тиристор запускает. Это вычисление основано на приближении, что необходимый ток vGT/ RGK, где RGK значение сопротивления затвора-катода, используемое при цитировании критического значения dV/dt.

  • Ненулевое время включения, управляемое ключами, в основном под влиянием NPN device forward transit time, TF. Вы либо задаете этот параметр непосредственно, либо вычисляете приблизительное значение для TF от времени включения.

  • Ненулевое время отключения, в основном под влиянием PNP device forward transit time, TF. Можно либо задать этот параметр непосредственно, либо установить его равным времени прямого транзита для NPN транзистора.

Резисторы Gmin1 и Gmin2 улучшают числовую робастность при больших передних и обратных напряжениях. Их значения влияют на несовпадающие токи не более чем на 1% при максимальных несовпадающих напряжениях.

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.

Представление интерполяционной таблицей

Если используется представление интерполяционной таблицы, вы обеспечиваете сведенные в таблицу значения для тока анод-катод как функции от напряжения анод-катод в состоянии включения. Основными преимуществами использования этой опции являются скорость симуляции и простота параметризации. Чтобы еще больше упростить базовую модель, это представление не моделирует:

  • Срабатывание устройства из-за скорости нарастания напряжения вне состояния

  • Коммутируемое время выключения

Задержка включения представлена входу затворно-катодным конденсатором, значение которого вычисляется так, что задержка между подъемом напряжения затвора и началом включения устройства равна значению, заданному параметром Turn-on delay time. Включение времени нарастания для тока нагрузки осуществляется путем наклона нелинейно между нулем и током, определяемым профилем ток-напряжение в состоянии включения в течение периода времени, заданного значением параметра Turn-on rise time. Обратите внимание, что полученный профиль тока включения является приближением к фактическому устройству.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем из контекстного меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт, H на значке блока, и отображает параметры Thermal Port.

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

  • Этот блок не моделирует эффекты, зависящие от температуры. Этот блок моделируется при температуре, заданной Measurement temperature значения параметров. Для этой температуры должны быть указаны все параметры.

  • Если вы используете эквивалентное представление схемы:

    • В цепях чувствительных затворов (то есть там, где нет внешнего резистора затвора-катода RGK) необходимо задать значение параметра Internal shunt resistor, Rs, чтобы обеспечить правильное срабатывание. Если внутреннее сопротивление шунта слишком велико, то тиристор запускает токи меньше iGT. Если внутреннее сопротивление шунта слишком низкое, тиристор не запускает ток входа iGT. Для получения дополнительной информации об использовании симуляции для определения приемлемого значения внутреннего сопротивления шунта, смотрите пример валидации статического поведения тиристора.

    • Триггер путем превышения напряжения обрыва не моделируется.

    • В численном отношении тиристор может потребовать моделирования, учитывая очень маленькие 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 симуляции по умолчанию. В некоторых случаях для обеспечения сходимости может потребоваться затянуть параметры Absolute Tolerance и Relative Tolerance на вкладке Solver диалогового окна Параметров конфигурации. В таких случаях изменение значения по умолчанию Absolute Tolerance с auto на 1e-4 или 1e-5 обычно это достаточно, потому что это препятствует адаптивному изменению этого параметра во время симуляции.

    • Токи утечек аппроксимируются диодами D1 и D2, как показано на эквивалентной схеме. Этот подход принимает, что утечки через два транзистора малы для сравнения. Это предположение не верно для значений vGT, которые значительно меньше, чем типичное прямое падение напряжения 0,6 В.

  • Если вы используете представление интерполяционной таблицы:

    • Запуск путем превышения напряжения обрыва или скоростью изменения напряжения вне состояния не моделируется.

    • Коммутируемое время выключения не моделируется. Проверьте, что ваша схема не нарушает заявленное коммутируемое время выключения тиристора.

    • Когда вы задаете время нарастания включения, результирующий профиль текущего времени является приближение.

Порты

Сохранение

расширить все

Электрический порт сопоставлен с ключом.

Электрический порт сопоставлен с анодом.

Электрический порт сопоставлен с катодом.

Параметры

расширить все

Главный

Представьте тиристор либо при помощи эквивалентной схемы, основанной на NPN и PNP биполярных транзисторах, либо используйте приближение интерполяционной таблицы к кривой I-V в состоянии включения.

Статическое падение напряжения анод-катод в состоянии включения и ток, протекающий равен току в IT состояния.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Статическая нагрузка (или, эквивалентно, анодный) ток, который течет, когда напряжение анода-катода равно напряжению в состоянии VT.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Вектор напряжений в состоянии «on-state», который будет использоваться для поиска в таблице. Векторные значения должны быть строго увеличены, а первое значение должно быть больше нуля. Значения могут быть неоднородно разнесены.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Вектор токов, соответствующих значениям векторов напряжений в состоянии нахождения, используемый для 1D поиска таблицы. Два вектора должны быть одинакового размера.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Анодный ток вне IDRM, который течет, когда анодно-катодное напряжение равно напряжению вне VDRM.

Напряжение анода-катода VDRM с тиристором в отключенном состоянии при цитировании тока вне состояния IDRM

Это минимальный ток, для которого тиристор остается в включенном состоянии. Для опции Интерполяционная таблица, фиксирующий ток принимается равным удерживающему току, поэтому это также является максимальным током, для которого тиристор остается в отключенном состоянии.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Температура симуляции устройства. Необходимо задать все значения параметров блоков для этой температуры.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Срабатывание ворот

Для включения транзистора iGT критический ток затвора, в результате чего напряжение затвора равняется соответствующему vGT напряжения затвора. Необходимо задать значение параметра Internal shunt resistor, Rs на вкладке Advanced, чтобы убедиться, что ворота запускаются в iGT, а не для токов, менее iGT.

Напряжение затвора-катода vGT, когда ток затвора равен току срабатывания iGT затвора.

Напряжение питания, используемое при квотировании значений для vGT и iGT.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Нагрузочный резистор, используемый при цитировании значений для vGT и iGT.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Триггер dV/dt

Если напряжение анод-катод увеличивается быстрее, чем эта скорость, тиристор испытает паразитный поворот из-за емкостных эффектов.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Катодно-затворный резистор, используемый при цитировании критической скорости подъема напряжения вне состояния.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Постоянные Времени

Выберите один из следующих опций:

  • Derive approximate value from gate-controlled turn-on time - Блок вычисляет время перехода NPN вперед на основе значений времени включения, управляемого затвором, и соответствующего тока затвора, который вы задаете.

  • Specify directly - Задайте значение непосредственно при помощи параметра NPN device forward transit time.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Время поворота затвора из выключенного состояния во включенное состояние при приложении тока затвора.

Ток ключа, используемый при цитировании управляемого ключом времени включения. Ток затвора и время включения используются, чтобы вычислить приблизительное значение для времени прямого перехода NPN устройства при предположении, что весь входной заряд используется, чтобы поднять напряжение затвора к соответствующему vGT напряжения затвора. Значение по умолчанию 10 мА.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by и Derive approximate value from gate-controlled turn-on time для NPN device forward transit time parameterization.

Среднее время пересечения несущими меньшинства базовой области от эмиттера до коллектора устройства NPN [1].

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by и Specify directly для NPN device forward transit time parameterization.

Выберите один из следующих опций:

  • Set equal to NPN device forward transit time - Блок использует значение времени прямого транзита NPN устройства.

  • Specify directly - Задайте значение непосредственно при помощи параметра PNP device forward transit time.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Среднее время пересечения несущими меньшинства базовой области от эмиттера до коллектора устройства PNP [1].

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by и Specify directly для PNP device forward transit time parameterization.

Задержка перед началом включения устройства после шага тока на ключе от нуля до значения, заданного параметром Gate current for turn-on delay time.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Lookup table для I-V characteristics defined by.

Ток затвора, используемый при измерении времени задержки включения.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Lookup table для I-V characteristics defined by.

Время, необходимое тиристору для полного включения после события задержки включения.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Lookup table для I-V characteristics defined by.

Расширенный

Сопротивление шунта затвора-катода. Важно задать это значение параметров, чтобы убедиться, что затвор запускается на iGT, а не для токов, менее iGT. Для получения дополнительной информации смотрите пример валидации тиристорного статического поведения. Если вы используете тиристор в схеме, где имеется внешний резистор RGK затвора-катода, то обычно эффект Rs невелик, и он может быть установлен на inf.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для I-V characteristics defined by.

Сопротивление, связанное с соединением затвора. Типичное значение порядка нескольких Ом, и его влияние на статические и динамические характеристики невелико. Поэтому его точное значение не важно, но его присутствие помогает избежать проблем численной симуляции, если затвор управляется непосредственно источником напряжения. Можно задать любое положительное значение.

Это является продуктом прямого усиления NPN и BFNPN прямого усиления PNP BFPNP. Это значение должно быть больше единицы для фиксации. Чем меньше значение, тем больше становится ток фиксации. Однако ток фиксации в основном задается другими параметрами блоков, и суммарный коэффициент усиления имеет только небольшой эффект.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда вы выбираете Fundamental nonlinear equations для I-V characteristics defined by.

Примеры моделей

Thyristor Static Behavior Validation

Статическое поведение тиристора Валидации

Валидация статического поведения блока Тиристор на соответствие его значениям маски. Значения маски тесно связаны со значениями таблицы данных, и тиристорный блок использует эти значения, чтобы вычислить коэффициенты уравнений, используемых для его моделирования.

Thyristor Dynamic Behavior Validation

Динамическое поведение тиристора Валидации

Валидация динамического поведения блока Тиристор на соответствие его значениям маски. Значения маски тесно связаны со значениями таблицы данных, и блок Тиристора использует эти значения, чтобы вычислить коэффициенты уравнений, используемых для его моделирования. Дважды кликните каждую из тестовых подсистем для получения дополнительной информации о тестах.

Вопросы совместимости

расширить все

Поведение изменено в R2019b

Ссылки

[1] Г. Массобрио и П. Антогнетти. Моделирование полупроводниковых устройств с помощью SPICE. 2nd Edition, McGraw-Hill, 1993.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

.

См. также

| |

Введенный в R2010b

Simscape Electrical документация

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте