下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
功率二极管、功率MOSFET（Power metal oxide solid field effect transistor）和IGBT（insulated gate bipolar transistor）是常用的车规级功率半导体器件类型，它们的PSIM模型主要模拟器件的稳态性能，相应的特性表征有诸如阈值电压和通态电阻等。
电力电子技术是以功率半导体器件技术及其应用为纲发展的。20世纪40年代发展的晶体管技术奠定了功率半导体器件发展的基础，60年代晶闸管的工业化应用推动了电力电子技术的迅猛发展。之后，70年代和80年代分别出现了功率MOSFET和IGBT，典型的功率MOSFET具有高开关频率、耐压低、大电流和通态电阻大的性能。与之相比，IGBT则是开关频率较低、耐压高和通态压降小。2000年前后开发了宽禁带材料如碳化硅SiC（silicon carbide）和氮化锗GaN（gallium nitride）器件，这两种宽禁带器件的主要特点是反向恢复电荷少、耐高温。总之，电力电子器件在向高开关频率、低开关损耗、耐高电压、大电流、耐高温、高功率密度技术方向发展。
从控制的角度，功率半导体器件是一种通过弱电信号触发器件强电信号导通或截止的信号转换器件。根据弱电信号控制强电信号的可控性，功率半导体器件可分为不可控型器件、半控型器件和全控型器件。其中，功率二极管是不可控型器件，它没有控制信号，导通或截止由其端电压决定。晶闸管是半控型器件，它的门极信号可使其触发导通，但是不能使其截止。功率晶体管、功率MOSFET和IGBT是全控型器件，它们的基极或栅极信号能够触发器件导通，也能使它们截止。
根据器件基极、门极或栅极的载流子工作机理，功率半导体器件可分为电流型和电压型触发导通器件。其中，晶闸管和功率晶体管属于电流型触发导通器件，而功率MOSFET是电压型触发导通器件，IGBT则是混合型触发导通器件。电流型器件的基极或门极需要流过一定宽度和强度的电流触发脉冲，才能使器件触发导通。它的驱动电路较为复杂，功耗较大。而电压型器件的栅极仅需电压信号驱动而使其导通或截止，器件的驱动电路简单且功率小。
从半导体材料角度，功率半导体器件可分为硅基材料器件和宽禁带材料器件。SiC和GaN半导体材料的禁带宽度是硅基材料1.12eV的3倍左右，击穿场强至少是硅基材料0.3×10 6 V/cm的10倍，因此在耐压相同的情况下SiC和GaN功率半导体器件比硅基器件的晶元尺寸更小。由于载流子饱和漂移速度更快，宽禁带器件的导通电阻更小。SiC和GaN半导体材料耐热系数高，使得由它们制成的功率半导体器件的散热铅壳更小。更小的晶元和散热铅壳，使得宽禁带功率半导体器件的功率密度更大。而且，更小的晶元使得宽禁带功率半导体器件的寄生元件更小，具有更小的浪涌电流或浪涌电压，有利于器件开关速度的提高。同时，由于反并联二极管采用宽禁带材料基的肖特基二极管，二极管反向恢复损耗也更小，恢复时间更短。因此，宽禁带器件满足汽车对高功率密度和耐高温功率半导体器件的需求，它们在新能源汽车的电驱动、快速充电和DC-DC转换方面具有广阔的应用前景。
功率二极管是一种不可控型功率半导体器件，在整流、续流和钳位等电子电气电路中广泛应用，反向恢复时间短的宽禁带材料功率二极管如碳化硅二极管已批量使用。功率二极管是一种以PN结为基础的两端器件，可分为整流二极管、快恢复二极管和肖特基二极管。图1.16显示了功率二极管的电气符号和伏安特性曲线。
图1.16 功率二极管
a）电气符号 b）伏安特性曲线
图1.16a显示了功率二极管的阳极A端和阴极K端。图1.16b显示了功率二极管的伏安特性曲线，二极管有一个阈值电压 U dth ，当 u AK ≥ U dth 时，二极管正向偏置而导通，电流从A端流向K端；反之，二极管会截止。当 u AK ＜0时，二极管反向偏置。二极管的反向偏置电压不能超过其反向击穿电压 U BD ，否则二极管会被击穿而损坏。在功率二极管导通至截止过程中，有一个反向恢复特性，反向恢复电流需要几乎完全复合器件的电荷，使器件形成阻断电流的能力。功率二极管的反向恢复电荷 Q drr 是决定器件工作频率的一个重要指标。
假设 U dth =0， Q drr =0， U BD =∞， i AK =+∞，那么二极管虚拟为一个理想器件，在工作时没有损耗。实际的功率二极管在导通时有一个通态压降 U don ，假设 U dth = U don ， Q drr =0， U BD =∞，那么器件有一个准理想的电压-电流特性。假设二极管的通态电压降随着导通电流增大而线性增长，那么器件表现为一个线性的伏安特性，它更接近于实际二极管的工作特性。图1.17显示了功率二极管的理想、准理想和线性的伏安特性曲线。
功率二极管的PSIM模型有四个参数，主要包括阈值电压和通态电阻。
①Diode Threshold Voltage：阈值电压。
②Diode Resistance：通态电阻。
③Initial Position：初始状态；0，截止；1，导通。
④Current Flag：电流标志；0，无电流数据记录；1，带电流数据记录，在Simview界面中出现二极管电流变量；如果勾选该项，则在PSIM界面出现器件的电流示波器。
图1.17 功率二极管的数学模型
a）理想 b）准理想 c）线性
如果模型的阈值电压和通态电阻都设置为0，那么二极管的PSIM模型是一个理想二极管。如果阈值电压大于0，通态电阻设置为0，那么二极管的PSIM模型是一个准理想模型。如果通态电阻设置为一个非零正数，那么二极管的PSIM模型是一个线性模型，它的通态电压降是其通过电流的一个一元函数。
式中， R don 为功率二极管的通态电阻（Ω）。
图1.18显示了一个简单的正弦电压源、功率二极管和电阻串联的PSIM模型电路。其中，R1=R2=R3=2.2Ω，正弦电压源Vs的有效值22V、频率50Hz、初始相位0。二极管D1、D2和D3的初始状态设置为0，电流标志设置为0；勾选D1的电流标志后，在D1上方出现一个示波器模块；它们的阈值电压分别设置为0、2V和2V，通态电阻分别设置为0、0和100mΩ，分别对应二极管的理想模型、准理想模型和线性模型。仿真控制的步长和时长分别为0.1ms和0.1s。图1.19显示了PSIM模型运行结果的电源电压、负载电阻电压和二极管电压降曲线。
在图1.19中，仅在Us1的正半周期内，电源能够给负载电阻供电，Ur2介于Ur1和Ur3之间，Ur1最高、Ur2次之、Ur3最低，负载电阻在负半周的电压降Ur1、Ur2和Ur3为0。在Us1的正半周期内，二极管导通后，电压降Ud2介于Ud1和Ud3之间，Ud3最高、Ud2次之、Ud1最低。D1的电压降为0，D2的电压降为常值2V，D3的电压降随负载电流发生变化，这也反映在各负载电阻的端电压曲线变化上。
图1.18 功率二极管的PSIM模型
图1.19 功率二极管的通态电压降
晶闸管（thyristor）的发明开创了电力电子技术的新纪元，它是一种耐高压、通态电压降很低、工作频率在1kHz以下的电流型功率半导体开关器件。晶闸管是一种半控型开关器件，一旦被触发导通，就进入了擎住状态。导通后，晶闸管能有一个很低的正向阻抗；截止后，它又有很高的正反向阻抗。
图1.20显示了晶闸管的电气符号和伏安特性。在图1.20a中，与二极管相比，晶闸管多了一个门极G，为器件导通提供电流触发脉冲。在图1.20b中，晶闸管与二极管有相似形状的伏安特性曲线，区别在于晶闸管导通受控于门极触发电流 I G 的强度和正向偏置电压 u AK 的大小。
①如果 I G =0，器件阳阴极的正向偏置电压小于正向转折电压 U FBD ，即0＜ u AK ＜ U FBD ，那么器件处于正向阻断的截止状态，仅有微小的漏电流流过。
②如果 I G =0，且 u AK ＞ U FBD ，那么晶闸管的正向漏电流骤增，器件完全导通，类似功率二极管的工作特性，导通压降在1V左右。
③如果 I G ＞0，那么所要求的 U FBD 随着 I G 的增加而减小，也就是正向的门极触发电流能够降低晶闸管开通所需的转折电压。
图1.20 晶闸管
a）电气符号 b）伏安特性 c）理想特性
如果 u AK ＜0，且其幅值不超过反向击穿电压 U RBD ，无论 I G 是否存在，器件工作在反向阻断状态，只有微弱的反向漏电流流过。当 u AK 幅值达到 U RBD 时，晶闸管的反向漏电流急剧增大，如果继续保持这种击穿状态，器件会因热击穿而损坏。
擎住电流 I L 。 晶闸管触发后，器件从断态到通态，门极触发电流撤销，能保持晶闸管通态的最小阳极电流。
维持电流 I H 。 晶闸管最小的导通电流，小于维持电流将使器件停止导通而进入截止状态。晶闸管的维持电流小于擎住电流，即 I H ＜ I L 。
由晶闸管的工作原理和伏安特性曲线，可获得晶闸管的理想工作特性曲线，如图1.21c所示。横坐标表示零电流的器件截止状态，纵坐标表示零电压的器件导通状态。
①器件承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，器件都不会导通。
②器件承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。
③晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否存在，器件都保持通态。
④要使已导通的晶闸管截止，只能减小晶闸管的电流至接近于零的某一数值以下，采取减小阴阳极电流或反向电压的方法可加速晶闸管截止。
晶闸管的PSIM模型有五个参数，主要包括阈值电压和通态电阻。
①Voltage Drop：通态电压降。
②Holding Current：维持电流，采用默认设置0。
③Latching Current：擎住电流，采用默认设置0。
④Initial Position：初始状态；0，截止；1，导通。
⑤Current Flag：电流标志；0，无电流数据记录；1，带电流数据记录，在Simview界面中出现二极管电流变量；如果勾选该项，则在PSIM界面出现器件的电流示波器。
如果设置Voltage Drop＞0，那么晶闸管触发导通后的伏安特性可采用类似图1.17b的准理想模型表征。图1.21显示了一个简单的正弦电压源、晶闸管和电阻串联的PSIM模型电路。其中，R1=R2=R3=3.11Ω，正弦电压源Vs的有效值311V、频率50Hz、初始相位0。晶闸管THY1、THY2和THY3的初始状态设置为0，电流标志设置为0；它们的通态电压降都设置为0，维持电流分别设置为0、1和0，擎住电流分别设置为0、0和1。门极触发单元G1、G2和G3的参数相同，频率50Hz，触发角30°。仿真控制的步长和时长分别为0.1ms和0.1s，图1.22显示了PSIM运行结果的电源电压、负载电阻电压和晶闸管电压降曲线。
图1.21 晶闸管与负载电阻的PSIM模型
在图1.22中，Ug1、Ug2和Ug3为晶闸管THY1、THY2和THY3的门极驱动信号，仅在Us1的正半周期内，电源能够给负载电阻供电，负载电阻在负半周的电压降Ur1、Ur2和Ur3为0。在Us1的正半周期内，晶闸管在30°触发导通后，电压降Uthy1和Uthy3为0，负载电阻的电压Ur1和Ur3与Us1的曲线重合，Ur2在Ur1曲线的下方；由于维持电流的设置为1，Uthy2的电压降随其电流发生变化，Uthy2在Uthy1曲线的上方。而且擎住电流的设置大小不影响模型的伏安特性曲线形状，因此建议将维持电流和擎住电流都设置为0。在电源信号进入负半周期后，由于晶闸管电流在0.01s已经下降至0，且 u AK ＜0，因此晶闸管截止。
图1.22 晶闸管与负载电阻的PSIM模型运行曲线
功率晶体管、功率MOSFET和IGBT是典型的全控型功率半导体开关，其中功率MOSFET和IGBT是新能源汽车电机控制器、充电装置和DC-DC变换器三大电子电气部件的常用功率半导体器件。
功率晶体管是双极结型功率晶体管P-BJT（power bipolar junction transistor）的简称，是一种耐高压、导通压降低、输入阻抗小和工作频率在1kHz以上的电流型功率半导体开关器件。功率MOSFET是一种高输入阻抗和可达1MHz工作频率的电压控制型功率半导体开关器件，其工作原理与逻辑MOSFET相同，在驱动和高频方面具有突出的优点，器件具有电压驱动、功耗小、电路简单、开关速度快，但耐高电压能力差、容量小的特点。IGBT兼有功率晶体管和MOSFET的两种载流子通道，具有高可靠性、高开关速度、高耐压、大电流、低通态压降和低功耗驱动等特性，典型应用的工作频率为10～20kHz，耐电压等级覆盖了600～6500V，目前已成为工业领域中应用最广泛的全控型功率半导体器件。
图1.23显示了功率晶体管、功率MOSFET和IGBT的电气符号。与模拟晶体管一样，功率晶体管也有NPN型和PNP型两种类型器件，如图1.23a和b所示。常用的功率MOSFET器件分为N沟道增强型和P沟道增强型两种类型器件，如图1.23c和d所示。IGBT的电气符号如图1.23e所示。注意，它们有不同的驱动方式和应用方法。
图1.23 全控型功率半导体器件电气符号
a）NPN型功率晶体管 b）PNP型功率晶体管 c）N沟道增强型MOSFET d）P沟道增强型MOSFET e）IGBT
将全控型功率半导体开关的基极、门极或栅极统称为门极， U g 、 u o 和 i o 分别表示门极控制信号、输出电压和输出电流。在 U g 控制下，器件的输出电流 i o 只允许单向流动。对于N沟道增强型功率MOSFET， U g 表示施加在门极G和源极S之间的电压 U GS ， u o 表示施加在漏极D和源极S之间的电压 u DS ， i o 表示从漏极D流向源极S的电流 i d 。
图1.24显示了全控型器件工作在电压和电流的正向区的电压-电流特性曲线。在图1.24a中，不同的门极信号 U g ，对应的 u o -i o 关系曲线形状相似，电流 i o 存在一个接近最大电流的饱和区。将器件的正向工作特性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区，分别对应器件的截止区、线性区、饱和区和击穿区。全控型功率半导体器件在Ⅰ区和Ⅱ区之间切换。比如， U g 为高电平信号，器件导通，工作在Ⅱ区， i o 可以较大，而 u o 很小； U g 为低电平信号，器件截止，工作在Ⅰ区， i o 几乎等于0， u o 可以较大。图1.24b显示了理想的电压-电流特性，器件工作在Ⅰ区， i o =0， u o =∞。器件工作在Ⅱ区， u o =0， i o =∞。这样，理想的全控型器件只在截止和导通两个理想开关状态工作。
图1.24 全控型功率半导体器件的电压-电流特性
a）工作区 b）理想特性
在PSIM软件中，功率晶体管、功率MOSFET和IGBT各有模型，它们的参数设置存在一定差异。功率晶体管的PSIM模型有三个参数需要设置，主要是集电极与发射极之间的饱和电压。
①Saturation Voltage：集电极-发射极的饱和电压。
②Initial Position：初始状态；0，截止；1，导通。
③Current Flag：电流标志；0，无电流数据记录；1，带电流数据记录，在Simview界面中出现二极管电流变量；如果勾选该项，则在PSIM界面出现器件的电流示波器。
除初始状态和电流标志两个参数外，功率MOSFET的PSIM模型还有三个参数需要设置，分别为MOSFET的通态电阻和反并联二极管参数。
④On Resistance：漏极-源极的通态电阻。
⑤Diode Threshold Voltage：反并联二极管的阈值电压。
⑥Diode Resistance：反并联二极管的通态电阻。
除反并联二极管的阈值电压和通态电阻参数设置外，由于IGBT兼有功率晶体管和功率MOSFET的载流子运动机理，因此IGBT的PSIM模型还有两个参数需要设置。
⑦Saturation Voltage：集电极-发射极的饱和电压。
⑧Transistor Resistance：集电极-发射极的通态电阻。
功率晶体管、功率MOSFET和IGBT的PSIM模型能够描述器件的通态损耗与理想的电压-电流特性，图1.25显示了三个全控型器件与电阻负载的直流电路。其中，R1=R2=R3=0.6Ω，恒压源Vd=24V，为电阻负载供电。三个方波发生器VSQ1～VSQ3分别通过开关通断控制器ON1～ON3控制NPN型功率晶体管、N沟道增强型功率MOSFET和IGBT的工作状态，VSQ1～VSQ3的参数设置相同，幅值为1V，频率为1kHz，占空比为50%，相位滞后90°。
NPN型功率晶体管的饱和电压Saturation Voltage=2，N沟道增强型功率MOSFET的通态电阻On Resistance=75mΩ，IGBT的饱和电压Saturation Voltage=2V、通态电阻Transistor Resistance=10mΩ；后两个器件的反并联二极管参数均为默认值0，Diode Threshold Voltage=0，Diode Resistance=0。另外，全控型器件的初始状态设置和电流标志也设置为0。仿真控制的步长和时长分别为10μs和3ms。
图1.25 全控型开关的PSIM模型
图1.26显示了PSIM运行结果的三个全控型器件的电压与电流曲线。在相同的恒压源和门极方波信号Ug1、Ug2和Ug3的作用下，尽管三个全控型功率半导体器件的导通状态特征参数有差异，但是它们的输出电压-电流特性相似，负载电阻出现了方波电压和方波电流波形。如果不考虑器件的通态压降，负载电阻的方波电压和方波电流的频率为1kHz，幅值分别为24V和40A，有效值分别为17V和28A。功率晶体管、IGBT和功率MOSFET的通态电压降分别为2V、2.36V和2.67V，那么负载电阻R1、R2和R3的电流幅值分别约为36.7A、36.1A和35.6A，器件的功耗分别达到73.4W、85.2W和95.0W。就通态压降曲线而言，IGBT的Uq3介于功率晶体管的Uq1和功率MOSFET的Uq2之间。
图1.26 全控型器件与电阻负载的PSIM模型仿真曲线
全控型功率半导体器件要求禁止工作在IV区，否则会被高电压击穿。为了进一步防止一个全控型开关被电子击穿或热击穿，设定其最高工作温度和电应力条件下所围成的最大电压和持续电流的区域，该区域称为器件的安全工作区。如果施加在器件两端的电压超过其允许的正向耐受电压 U FBD 或反向耐受电压 U RBD ，器件会被电子击穿而损坏，工作可靠性下降。器件流过大电流时，会快速积聚欧姆热。如果热发散不及时，器件结温过高，会被热击穿而烧毁。在超限的浪涌电流或浪涌电压下，器件可能被误触发而导通，导致电路功能异常。