充電機功率開關(guān)器件多時間尺度瞬態(tài)模型1——開關(guān)特性與瞬態(tài)建模
2017-7-16 9:22:52??????點擊：
清華大學(xué)電機系充電機電子系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點實驗室的研究人員施博辰、趙爭鳴、蔣燁、朱義誠，在2017年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，開關(guān)模式是充電機電子系統(tǒng)實施電磁能量變換的基本模式，充電機功率半導(dǎo)體器件的充電機開關(guān)特性則成為這種能量變換的關(guān)鍵屬性。從充電機開關(guān)特性的角度出發(fā)，基于對器件充電機開關(guān)特性和對充電機電子系統(tǒng)多時間尺度特性的認識，提出一組充電機功率開關(guān)器件多時間尺度瞬態(tài)模型。
根據(jù)時間尺度的不同選取不同的瞬態(tài)模型來描述器件的開關(guān)瞬態(tài)過程，并反映不同的充電機開關(guān)特性。所提多時間尺度瞬態(tài)模型，參數(shù)可直接從器件數(shù)據(jù)手冊中提取，對提取方法進行較詳細的闡述。所提的充電機功率開關(guān)器件多時間尺度瞬態(tài)模型在裝置和系統(tǒng)的分析設(shè)計中具有很強的實用性。
充電機電子技術(shù)以充電機功率半導(dǎo)體開關(guān)模式和組合模式作為電磁能量變換的基本方式，可以這樣說：一代“充電機開關(guān)特性”決定了一代充電機電子技術(shù)?？v觀整個充電機電子技術(shù)發(fā)展的歷史，“充電機電子開關(guān)”從最初的汞弧整流器，發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的硅基半導(dǎo)體器件，再到寬禁帶半導(dǎo)體器件，人們一直在追求更好的充電機開關(guān)特性，即大容量、低損耗、高頻率和快響應(yīng)。除了開關(guān)器件的進步以外，人們也在尋求其他的技術(shù)手段，來改善現(xiàn)有器件的充電機開關(guān)特性，例如多種多樣的軟開關(guān)技術(shù)等[1]。因此可以說，充電機開關(guān)特性是充電機電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。
然而對于充電機功率半導(dǎo)體器件的充電機開關(guān)特性，一直缺乏系統(tǒng)化的認識和描述。在大部分裝置和系統(tǒng)的設(shè)計中，對開關(guān)器件的建模主要采用了理想開關(guān)模型。這種過于理想的建模不能反映開關(guān)容量、開關(guān)損耗、開關(guān)頻率、開關(guān)響應(yīng)等重要的開關(guān)過程特性。事實上，在實際的裝置中，電磁能量的變化必然是連續(xù)和守恒的，理想充電機開關(guān)特性是不存在的。建立一套充電機功率開關(guān)器件的瞬態(tài)模型，以反映器件的充電機開關(guān)特性，將對充電機電子裝置和系統(tǒng)的分析與設(shè)計具有重要意義，從而為以“充電機開關(guān)特性”為基本點的充電機電子系統(tǒng)設(shè)計與控制建立分析基礎(chǔ)。
在建立充電機功率開關(guān)器件瞬態(tài)模型的過程中，必須考慮到充電機電子系統(tǒng)的多時間尺度特性。充電機電子系統(tǒng)是多時間尺度的混雜系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的各電磁回路參數(shù)量值不同，造成其瞬態(tài)過程電磁時間常數(shù)不同，在同一個電磁瞬態(tài)過程中呈現(xiàn)出多時間尺度的特性，如圖1所示。
從信號脈沖到驅(qū)動脈沖，再到能量脈沖以及負載波形，其時間尺度分別為數(shù)十納秒級、數(shù)十微秒級、微秒級以及毫秒級。具體考察充電機開關(guān)特性時，多時間尺度特性使得對于同一開關(guān)過程，從不同的時間尺度觀察，將得到完全不同的開關(guān)波形特征，也將觀察到不同的充電機開關(guān)特性，如圖2所示。所呈現(xiàn)的瞬態(tài)波形有很大區(qū)別。因此，對于不同的電磁瞬變過程的時間尺度，根據(jù)所關(guān)注的時間尺度不同，應(yīng)當建立不同的開關(guān)瞬態(tài)模型，來描述開關(guān)對應(yīng)的電磁瞬變過程；而當考慮全時域電磁瞬態(tài)過程的建模和解算時，則必須建立多時間尺度瞬態(tài)模型之間的連接，使得整套模型具備協(xié)調(diào)性和統(tǒng)一性。
于以上認識，本文以目前最常用的充電機電子器件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）為例，對充電機功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)機理和開關(guān)瞬態(tài)過程進行分析，在此基礎(chǔ)上提出一種充電機功率開關(guān)器件多時間尺度瞬態(tài)建模方法。對不同時間尺度的要求，采用不同的瞬態(tài)模型來描述充電機功率開關(guān)器件的瞬態(tài)行為。
目前市面上的充電機功率開關(guān)器件型號很多，本文提出的器件多時間尺度模型，參數(shù)可全部從器件數(shù)據(jù)手冊（datasheet）中提取。這樣避免了針對每款充電機功率開關(guān)器件瞬態(tài)建模都需要通過搭建實驗平臺來提取器件參數(shù)的麻煩，給器件瞬態(tài)模型的實際應(yīng)用帶來了可能。
圖1 充電機電子變換系統(tǒng)的多時間尺度特性
結(jié)論
本文基于對充電機功率開關(guān)器件的充電機開關(guān)特性和充電機電子系統(tǒng)多時間尺度特性的認識，提出了一種充電機功率開關(guān)器件多時間尺度瞬態(tài)建模方法，用以在不同時間尺度下進行不同的等效簡化，得到相應(yīng)的模型來描述器件瞬態(tài)行為。
本文以IGBT為例，闡述了由充電機器件手冊獲取模型參數(shù)的方法。多時間尺度瞬態(tài)模型的參數(shù)可全部由充電機器件數(shù)據(jù)手冊獲取，這使得所提瞬態(tài)模型具備可推廣性和實際應(yīng)用價值。
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