[发明专利]用于电路仿真的门极换流晶闸管物理模型的建模方法

摘要

一种用于电路仿真的门极换流晶闸管物理模型的建模方法，步骤为：1、建立基于改进型傅里叶级数法，并考虑过剩载流子注入状态变化，建立N基区子模型；2、采用双曲正弦法建立P基区子模型；3、采用准静态法建立N缓冲层子模型；4、根据各区域子模型及相邻区域PN结压降建立承压子模型；5、根据步骤1～步骤4得到的子模型，建立门极换流晶闸管物理模型。本发明基于门极换流晶闸管内部各区域载流子运行特性，通过理论推导得出各区域子模型建模方法，结合各区域边界条件，建立了完整的门极换流晶闸管物理模型。

主权项

1.一种用于电路仿真的门极换流晶闸管物理模型的建模方法，其特征在于，所述建模方法包含以下步骤：步骤1：建立基于改进型傅里叶级数法，并考虑过剩载流子注入状态变化，建立N基区子模型；步骤2：采用双曲正弦法建立P基区子模型；步骤3：采用准静态法建立N缓冲层子模型；步骤4：根据各区域子模型及相邻区域PN结压降建立承压子模型；步骤5：根据步骤1～步骤4得到的子模型，建立门极换流晶闸管物理模型；所述的步骤1中，(1)所述的改进型傅里叶级数法是在现有傅里叶级数法基础上，增加了积分环节，在比例环节和积分环节前增加了模糊化环节；采用改进型傅里叶级数法的N基区耗尽区压降Vsc的表达式为：其中，K_P为比例系数，K_I为积分系数，p_x2为N基区非耗尽区位于非耗尽区右侧边界x₂处过剩空穴浓度；所述的改进型傅里叶级数法的N基区耗尽区压降Vsc的表达式能够针对关断过程实现对比例系数K_P和积分系数K_I的动态控制，兼顾了电压关断暂态和稳态精度；(2)所考虑的N基区非耗尽区过剩载流子注入状态影响的方法为：当N基区非耗尽区注入的过剩空穴浓度远小于N基区掺杂浓度时，N基区非耗尽区处于小注入状态；小注入时，双极迁徙率μ约等于空穴迁移率μ_p，双极扩散系数D约等于空穴扩散系数D_p，场强E约等于0，则双极输运方程可化为小注入时双极扩散方程：其中，τ_p为小注入时N基区非耗尽区过剩空穴寿命，D_p为空穴扩散系数，p为小注入时N基区非耗尽区过剩空穴浓度，x为N基区非耗尽区位置变量，t为时间变量；将后述的式(6)～式(8)代入式(16)，将式(16)化为通过等效RC并联电路求解的一阶微分方程：其中，下标k＝0，1，2，3…，R_k为等效RC并联电路的电阻，C_k为等效RC并联电路的电容，I_k为等效RC并联电路的电流源，均为非耗尽区宽度x₂₁的函数；I_force等效为主电路电流源，为N基区非耗尽区边界条件的函数；针对式(9)中的下标k取偶数和奇数时，I_force分为I_even和I_odd，表达式为：其中，p(x,t)为N基区非耗尽区过剩空穴浓度，D为N基区非耗尽区双极扩散系数，x₁为N基区非耗尽区左侧边界，x₂为N基区非耗尽区右侧边界，I_even为式(9)中的下标k取偶数时等效RC并联电路主电路电流源，I_odd为k取奇数时等效RC并联电路主电路电流源；由电子和空穴全电流公式，及N基区非耗尽区满足注入的过剩空穴浓度小于N基区掺杂浓度N_BN的小注入条件，可得非耗尽区边界处空穴梯度表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，I_p1为N基区非耗尽区左侧边界空穴电流，I_p2为N基区非耗尽区右侧边界空穴电流，D_p为空穴扩散系数，x₁为N基区非耗尽区左侧边界，x₂为N基区非耗尽区右侧边界；将式(17)代入式(10)，可得N基区非耗尽区小注入时，式(9)中的下标k取偶数时等效RC并联电路主电路电流源I_even，及k取奇数时等效RC并联电路主电路电流源I_odd的表达式：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，I_p1为N基区非耗尽区左侧边界空穴电流，I_p2为N基区非耗尽区右侧边界空穴电流；将式(18)代入式(9)，则可求得RC并联电路端电压P₀及P_k，将RC并联电路端电压P₀、P_k及N基区非耗尽区宽度x₂₁的表达式(14)代入N基区非耗尽区过剩空穴浓度p(x,t)离散余弦傅里叶级数的表达式(6)，得到N基区非耗尽区位置x的函数，则可得小注入时N基区非耗尽区任意时空的过剩少子浓度p(x,t)；求得小注入时N基区非耗尽区任意时空的过剩少子浓度p(x,t)，便建立了对N基区小注入时非耗尽区模型；将所述RC并联电路端电压P₀、P_k及N基区非耗尽区宽度x₂₁的表达式(14)代入N基区非耗尽区过剩空穴浓度p(x,t)的离散余弦傅里叶级数表达式(6)，得到N基区非耗尽区位置x的函数的方法如下：N基区非耗尽区宽度x₂₁的表达式为：其中，q为电子电荷量，A为门极换流晶闸管物理模型的有效面积，W_N为N基区宽度，N_BN为N基区掺杂浓度，I_A为门极换流晶闸管物理模型的阳极电流，V_sat为N基区耗尽区空穴饱和速度；N基区非耗尽区过剩空穴浓度p(x,t)的离散余弦傅里叶级数表达式为：其中，x∈[x₁，x₂]，x₁为N基区非耗尽区左侧边界，x₂为N基区非耗尽区右侧边界，x₁至x₂之间为N基区非耗尽区，P₀(t)和P_k(t)表达式为：其中，系数k＝1，2，3…，x₁为N基区非耗尽区左侧边界，x₂为N基区非耗尽区右侧边界，p(x,t)为N基区非耗尽区过剩空穴浓度。