《控制系统数字仿真与CAD(第3版)》张晓华(习题解答)第2章-电力电子器 .pdfVIP

第七节电力电子器件建模

一、问题的提出

上一节“电力电子系统建模”中所涉及到的电力电子器件(GTO、MOSFET、

IGBT)都是理想开关模型（“0”、“1”状态），如表1。然而，当我们在研究微观时

间尺度下的（电压电流）系统响应或者电力电子器件特性的时候，我们就必须对

电力电子器件建立更精确的模型。这里的电力电子器件模型将不再是状态空间表

达式或者传递函数的形式，这是因为简单形式的状态空间表达式或者传递函数已

经无法精确表达出器件的动、静态过程。

电力电子器件的精确模型主要应用在：器件模型换向过程（微观时间尺度

上）、元器件张力、功率消耗、设计器件缓冲电路等情况下。从某种意义上说电

力电子器件建模是电力电子系统建模的补充。

表1理想开关与实际功率开关对比

理想开关实际功率开关器件

反向耐压∞VV

BR

漏电流0I0

r

通态压降导致开关损耗0P＝V*I

onon

开关时间0t,t0

offon

驱动功率忽略不可忽略

二、建模机理

1.电力电子器件建模需考虑的问题

对于功率半导体器件模型的发展，除了考虑半导体器件在建模时所考虑的一

般问题和因素之外，在建立比较精确的仿真模型时，以下几个问题必须优先考虑，

这些问题在低功率器件中不成问题，但在功率电子器件中这几个问题它们支配了

器件的静态和动态特性：

(1).阻系数的调制

为了承受较高的电压，功率半导体器件一般都有一个稍微厚度搀杂半导体

层，当器件导通时，这个层决定导通压降和功率损失。这个电阻随电压和电流变

化而变化，具有非线性电阻的特性。

单极型器件（MOSFET）中，电阻的变化是由有效电流导通区域变化所引起，

另外随着外电场的增加迁移率的降低也会引起导通电阻的变化。

双极器件中，当器件导通时，电子和空穴充满了低搀杂层，此时注入的载流

子密度比搀杂浓度还要高，这个区域的电阻明显的降低了。

在区域边界X到X，面积为A的区域电阻由下式表示：

1r

dx

X

r

R



XqA(np)

1

np





这里n和p分别是电子和空穴的密度，和是载流子的迁移率，载流子