功率开关器件多时间尺度瞬态模型（Ⅰ）——开关特性与瞬态建模
根据时间尺度的不同选取不同的瞬态模型来描述器件的开关瞬态过程，并反映不同的开关特性。所提多时间尺度瞬态模型，参数可直接从器件数据手册中提取，对提取方法进行较详细的阐述。所提的功率开关器件多时间尺度瞬态模型在装置和系统的分析设计中具有很强的实用性。
电力电子技术以功率半导体开关模式和组合模式作为电磁能量变换的基本方式，可以这样说：一代“开关特性”决定了一代电力电子技术。纵观整个电力电子技术发展的历史，“电力电子开关”从最初的汞弧整流器，发展到目前广泛应用的硅基半导体器件，再到宽禁带半导体器件，人们一直在追求更好的开关特性，即大容量、低损耗、高频率和快响应。除了开关器件的进步以外，人们也在寻求其他的技术手段，来改善现有器件的开关特性，例如多种多样的软开关技术等[1]。因此可以说，开关特性是电力电子技术的基础和核心。
然而对于功率半导体器件的开关特性，一直缺乏系统化的认识和描述。在大部分装置和系统的设计中，对开关器件的建模主要采用了理想开关模型。这种过于理想的建模不能反映开关容量、开关损耗、开关频率、开关响应等重要的开关过程特性。事实上，在实际的装置中，电磁能量的变化必然是连续和守恒的，理想开关特性是不存在的。建立一套功率开关器件的瞬态模型，以反映器件的开关特性，将对电力电子装置和系统的分析与设计具有重要意义，从而为以“开关特性”为基本点的电力电子系统设计与控制建立分析基础。
在建立功率开关器件瞬态模型的过程中，必须考虑到电力电子系统的多时间尺度特性。电力电子系统是多时间尺度的混杂系统，由于系统的各电磁回路参数量值不同，造成其瞬态过程电磁时间常数不同，在同一个电磁瞬态过程中呈现出多时间尺度的特性，如图1所示。
从信号脉冲到驱动脉冲，再到能量脉冲以及负载波形，其时间尺度分别为数十纳秒级、数十微秒级、微秒级以及毫秒级。具体考察开关特性时，多时间尺度特性使得对于同一开关过程，从不同的时间尺度观察，将得到完全不同的开关波形特征，也将观察到不同的开关特性，如图2所示。所呈现的瞬态波形有很大区别。因此，对于不同的电磁瞬变过程的时间尺度，根据所关注的时间尺度不同，应当建立不同的开关瞬态模型，来描述开关对应的电磁瞬变过程；而当考虑全时域电磁瞬态过程的建模和解算时，则必须建立多时间尺度瞬态模型之间的连接，使得整套模型具备协调性和统一性。
基于以上认识，本文以目前最常用的电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）为例，对功率半导体器件的开关机理和开关瞬态过程进行分析，在此基础上提出一种功率开关器件多时间尺度瞬态建模方法。对不同时间尺度的要求，采用不同的瞬态模型来描述功率开关器件的瞬态行为。
目前市面上的功率开关器件型号很多，本文提出的器件多时间尺度模型，参数可全部从器件数据手册（datasheet）中提取。这样避免了针对每款功率开关器件瞬态建模都需要通过搭建实验平台来提取器件参数的麻烦，给器件瞬态模型的实际应用带来了可能。
图1 电力电子变换系统的多时间尺度特性
图2 同一开关过程的多时间尺度特性
结论
本文基于对功率开关器件的开关特性和电力电子系统多时间尺度特性的认识，提出了一种功率开关器件多时间尺度瞬态建模方法，用以在不同时间尺度下进行不同的等效简化，得到相应的模型来描述器件瞬态行为。
本文以IGBT为例，阐述了由器件手册获取模型参数的方法。多时间尺度瞬态模型的参数可全部由器件数据手册获取，这使得所提瞬态模型具备可推广性和实际应用价值。