Документация Engee

Thyristor

Тиристор с использованием транзисторов NPN и PNP.

thyristor

Описание

Блок Thyristor позволяет моделировать теристор двумя способами:

  • В виде эквивалентной схемы на основе биполярных транзисторов NPN и PNP.

  • Аппроксимация кривой I-V (ток-напряжение) во включенном состоянии с помощью таблицы соответствия.

Представление с помощью эквивалентной схемы

Эквивалентная схема содержит пару биполярных транзисторов NPN и PNP, как показано на следующем рисунке.

thyristor 1

Структура P-N-P-N тиристора соответствует структурам P-N-P и N-P-N биполярных транзисторов, база каждого из которых соединена с коллектором другого устройства. Чтобы эта схема вела себя как тиристор, необходимо подобрать подходящие значения параметров NPN- и PNP-транзисторов, а также внешних резисторов. Например, чтобы схема фиксировалась во проводящем состоянии после запуска соответствующим управляющим током, суммарный коэффициент усиления двух транзисторов должен быть больше единицы. Такая структура модели воспроизводит поведение тиристора в типичных прикладных схемах и в то же время представляет решателю минимальное количество уравнений, что повышает скорость моделирования.

Очень важно правильно параметризовать компонент тиристора, прежде чем использовать его в своей модели. Согласно техническому паспорту вашего устройства, измените параметры компонента тиристора так, чтобы он моделировал требуемое поведение. Затем можно скопировать параметризованный компонент в свою модель. Позаботьтесь о том, чтобы правильно смоделировать схему подключения управляющего электрода, включая последовательное сопротивление цепи. Подключение управляемого источника напряжения непосредственно к управляющему электроду тиристора дает нефизические результаты, поскольку при нулевом значении напряжения на управляющем электроде он прижимается к напряжению на катоде.

Модель отражает следующие характеристики тиристора:

  • Токи в закрытом состоянии, и . Они обычно указываются для максимальных напряжений в закрытом состоянии и . Предполагается, как и для большинства тиристоров, что и .

  • Отпирающее напряжение на управляющем электроде равно значению Corresponding gate voltage, V_GT, когда ток в управляющем электроде равен току включения тиристора, значению параметра Gate trigger current, I_GT.

  • Тиристор включается, когда величина управляющего тока достигнет значения тока включения тиристора, Gate trigger current, I_GT. Тиристор не включится, пока управляющий ток не достигнет этого значения. Чтобы убедиться в этом, необходимо правильно установить параметр Internal shunt resistor, Rs. Если сопротивление слишком велико, то тиристор включится до того, как управляющий ток достигнет . Если сопротивление слишком мало, то тиристор не включится.

    Вы можете определить значение Internal shunt resistor, Rs, запустив моделирование. Если вы используете тиристор в схеме, где есть внешний резистор , подключенный от управляющего электрода к катоду, то влияние сопротивления, определяемого значением параметра Internal shunt resistor, Rs обычно очень мало, и его можно установить равным Inf.

  • Если тиристор находится во включенном состоянии, то при остутствии управляющего сигнала тиристор остается во включенном состоянии при условии, что ток нагрузки больше тока удержания. Ток удержания не задается напрямую, поскольку его значение в основном определяется другими параметрами блока. Однако на ток удержания можно повлиять с помощью параметра Product of NPN and PNP forward current gains. Уменьшение коэффициента усиления увеличивает ток удержания.

  • Напряжение включения равно падению напряжения на тиристоре, значению параметра On-state voltage, V_T, когда ток нагрузки равен току включения, значение параметра On-state current, I_T. Это обеспечивается значением сопротивления , которое учитывает падение напряжения на PNP- и NPN-устройствах.

  • Срабатывание по скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии. Быстрое изменение напряжения анод-катод вызывает ток в цепи база-коллектор. Если этот ток достаточно велик, он переводит тиристор в открытое состояние. Рассчитывается подходящее значение емкости база-коллектор, чтобы при скорости изменения напряжения, равной максимально допустимой скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, Critical rate of rise of off-state voltage, dV/dt, тиристор срабатывал. Этот расчет основан на приближении, что требуемый ток равен , где – значение сопротивления между управляющим электродом и катодом, используемое при расчете максимально допустимого значения Critical rate of rise of off-state voltage, dV/dt.

  • Время задержки включения в основном зависит от значения параметра NPN device forward transit time, TF. Вы либо указываете этот параметр напрямую, либо рассчитываете приблизительное значение по времени включения.

  • Время задержки выключения, на которое в первую очередь влияет значение параметра PNP device forward transit time, TF. Вы можете задать этот параметр напрямую или установить его равным времени прямого хода для NPN-транзистора.

  • Резисторы pnp_resistor и npn_resistor повышают устойчивость численного решения при больших прямых и обратных напряжениях. Их значения влияют на токи выключения не более чем на 1% при максимальных напряжениях закрытого состояния прямого и обратного хода.

Поскольку данная реализация блока включает модель заряда, для получения наглядной динамики включения и выключения тиристора необходимо смоделировать полное сопротивление цепи, приводящей затвор в движение. Поэтому, если вы упрощаете схему управления электродом, представляя ее как управляемый источник напряжения, вы должны включить подходящий резистор последовательно между источником напряжения и управляющим электродом.

Параметризация с помощью таблицы соответствий

При параметризации тиристора с помощью таблицы соответствия значение тока анод-катод является функцией напряжения между анодом и катодом в открытом состоянии. Основными преимуществами использования этого варианта являются скорость моделирования и простота параметризации. Для дальнейшего упрощения базовой модели это представление не моделирует:

  • Включение устройства из-за скорости нарастания напряжения в выключенном состоянии.

  • Время задержки выключения.

Задержка включения представлена входным конденсатором между управляющим электродом и катодом, величина которого рассчитывается таким образом, чтобы задержка между повышением напряжения на управляющем электроде и началом включения устройства была равна значению, заданному параметром Turn-on delay time. Время нарастания тока нагрузки при включении реализуется путем нелинейного нарастания тока от нуля до тока, определяемого профилем ток-напряжение в открытом состоянии, за время, заданное значением параметра Turn-on rise time. Обратите внимание, что полученный профиль тока включения является приближением к реальному устройству.

Допущения и ограничения

  • В этом блоке не моделируются эффекты, зависящие от температуры. Этот блок моделируется при температуре, указанной значением параметра Measurement temperature. Все параметры должны быть указаны для этой температуры.

  • Если вы используете модель эквивалентной схемы:

    • В схемах с чувствительным упраляющим электродом (то есть там, где нет внешнего резистора для управляющего электрод-катода) необходимо установить значение параметра Internal shunt resistor, Rs, чтобы обеспечить правильное срабатывание. Если внутреннее сопротивление шунта слишком велико, то тиристор срабатывает при токе, меньшем, чем . Если внутреннее сопротивление шунта слишком мало, тиристор не сработает при входном токе .

    • Срабатывание при превышении напряжения пробоя не моделируется.

    • Численное моделирование тиристора может быть сложным, учитывая очень малые управляющие токи по сравнению с током нагрузки, а также скачкообразные изменения тока при переключении. Однако для большинства типичных схем на основе тиристоров можно использовать параметры моделирования по умолчанию. В некоторых случаях для обеспечения сходимости может потребоваться подтянуть параметры Absolute Tolerance и Relative Tolerance в блоке Solver Configuration. В таких случаях обычно достаточно изменить значение по умолчанию Absolute Tolerance с auto на 1e-4 или 1e-5, поскольку это предотвращает адаптивное изменение этого параметра во время моделирования.

    • Токи утечки аппроксимируются диодами i-leakage, как показано на эквивалентной схеме. Этот подход предполагает, что утечка через два транзистора мала по сравнению с ними. Это предположение не справедливо для значений , которые значительно меньше типичного прямого падения напряжения 0.6 В.

  • Если вы используете представление в виде таблицы соответствия:

    • Срабатывание по превышению напряжения пробоя или по скорости изменения напряжения в выключенном состоянии не моделируется.

    • Не моделируется время задержки выключения. Проверьте, не нарушает ли ваша схема установленное время задержки выключения.

    • Когда вы указываете время нарастания тока включения, полученная зависимость тока от времени является приближенной.

Порты

Ненаправленные

G — управляющий электрод
скаляр

Электрический порт, связанный с управляющим электродом.

A — анод
скаляр

Электрический порт, связанный с анодом.

K — катод
скаляр

Электрический порт, связанный с катодом.

Параметры

Main

I-V characteristics defined by — параметризация тиристора
Fundamental nonlinear equations (по умолчанию) | Lookup table

Используйте для моделирования тиристора либо эквивалентную схему на основе биполярных транзисторов NPN и PNP (Fundamental nonlinear equations), либо аппроксимацию кривой I-V во включенном состоянии с помощью таблицы поиска (Lookup table).

On-state voltage, V_T — падение напряжения на тиристоре в включенном состоянии
1.2 В (по умолчанию)

Падение статического напряжения анод-катод во включенном состоянии, при этом протекающий ток равен току включения .

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

On-state current, I_T — статический ток нагрузки в включенном состоянии
1 A (по умолчанию)

Статический ток нагрузки (анодный ток), который протекает, когда напряжение анод-катод равно напряжению во включенном состояни.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Vector of on-state voltages, V_T — вектор значений напряжений в открытом состоянии
[0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25] В (по умолчанию)

Вектор значений напряжений в открытом состоянии, который будет использоваться для поиска в таблице. Значения вектора должны быть строго возрастающими, и первое значение должно быть больше нуля. Значения могут быть неравномерно распределены.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Vector of corresponding currents, I_T — вектор значений соответствующих токов
[0.015 0.22 0.75 1.4 2 2.75 3.45] A (по умолчанию)

Вектор значений токов, соответствующих значениям вектора напряжений включения, который будет использоваться для поиска в 1D-таблице. Эти два вектора должны быть одинакового размера.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Off-state current, I_DRM — ток анода в выключенном состоянии
0.01 мА (по умолчанию)

Ток анода в выключенном состоянии , который протекает, когда напряжение анод-катод равно напряжению в выключенном состоянии .

Corresponding off-state voltage, V_DRM — напряжение анод-катод в выключенном состоянии
400 В (по умолчанию)

Напряжение анод-катод , приложенное к тиристору в выключенном состоянии при достижении тока выключенного состояния .

Measurement temperature — температура моделирования устройства
25 °C (по умолчанию)

Температура моделирования устройства. Для этой температуры необходимо указать все значения параметров блока.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Gate Triggering

Gate trigger current, I_GT — ток включения тиристора
3 мкА (по умолчанию)

Пороговая величина тока через управляющий электрод , необходимый для включения транзистора, в результате чего напряжение на затворе становится равным соответствующему напряжению на управляющем электроде . Вы должны установить значение параметра Internal shunt resistor, Rs, чтобы обеспечить срабатывание затвора при , а не при токах, меньших .

Corresponding gate voltage, V_GT — напряжение между управляющим электродом и катодом
0.6 В (по умолчанию)

Напряжение между управляющим электродом и катодом , когда ток на упраляющем электроде равен току включения .

Test voltage, V_D — тестовое напряжение питания
12 В (по умолчанию)

Напряжение питания, используемое при указании значений и .

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Test load resistor — резистор тестовой нагрузки
120 Ом (по умолчанию)

Нагрузочный резистор, используемый при расчете значений и .

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

dV/dt Triggering

Critical rate of rise of off-state voltage, dV/dt — максимально допустимая скорость нарастания напряжения в выключенном состоянии
150 В/сек (по умолчанию)

Если напряжение на аноде и катоде растет быстрее этой скорости, тиристор будет испытывать паразитное включение из-за емкостных эффектов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Test gate-cathode resistor, R_GK — тестовый резистор между управляющим электродом и катодом
1000 Ом (по умолчанию)

Резистор между управляющим электродом и катодом, используемый при расчете максимально допустимой скорости нарастания напряжения в выключенном состоянии.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Time Constants

NPN device forward transit time parameterization — параметризация времени прямого хода устройства NPN
Derive approximate value from gate-controlled turn-on time (по умолчанию) | Specify directly

Выберите один из следующих вариантов:

  • Derive approximate value from gate-controlled turn-on time — блок вычисляет время прямого хода NPN-устройства на основе заданных вами значений времени включения и соответствующего управляющего тока.

  • Specify directly — укажите значение напрямую, используя параметр NPN device forward transit time.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Gate-controlled turn-on time — время задержки включения тиристора после подачи импульса управления
2 мс (по умолчанию)

Время перехода тиристора из выключенного состояния во включенное при подаче управляющего тока.

Corresponding gate current — тестовый ток управляющего электрода
10 мА (по умолчанию)

Ток на управляющем электроде, используемый при определении времени задержки включения тиристора после подачи импульса управления. Ток затвора и время включения используются для расчета приблизительного значения времени прямого хода NPN-устройства, исходя из предположения, что весь входной заряд используется для повышения напряжения затвора до соответствующего напряжения затвора . Значение по умолчанию составляет 10 мА.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значения Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by и Derive approximate value from gate-controlled turn-on time для параметра NPN device forward transit time parameterization.

NPN device forward transit time — среднее время прохода в прямом направлении
0.3 мс (по умолчанию)

Среднее время прохождения неосновных носителей заряда через базовую область от эмиттера к коллектору NPN-прибора [1].

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by, и Derive approximate value from gate-controlled turn-on time для параметра NPN device forward transit time parameterization.

PNP device forward transit time parameterization — параметризация времени прямого прохождения устройства PNP
Set equal l to NPN device forward transit time (по умолчанию) | Specify directly

Выберите один из следующих вариантов:

  • Set equal to NPN device forward transit time — блок использует значение времени прямого транзита устройства NPN.

  • Specify directly — укажите значение непосредственно с помощью параметра времени PNP device forward transit time.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Turn-on delay time — время задержки включения тиристора
0 с (по умолчанию)

Время задержки включения тиристора после изменения тока на управляющем электроде от нуля до значения, заданного параметром Gate current for turn-on delay time.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Gate current for turn-on delay time — ток на управляющем электроде для времени задержки включения
1 мА (по умолчанию)

Ток на управляющем электроде, используемый при измерении времени задержки включения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Turn-on rise time — время нарастания сигнала включения
0 с (по умолчанию)

Время, необходимое для полного включения тиристора после прохождения времени задержки включения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Lookup table для параметра I-V characteristics defined by.

Advanced

Internal shunt resistor, Rs — сопротивление шунта между управляющим электродом и катодом
87 кОм (по умолчанию)

Сопротивление шунта между управляющим электродом и катодом. Важно установить значение этого параметра так, чтобы затвор срабатывал при , а не при токах, меньших . Если вы используете тиристор в схеме, где есть внешний резистор , то обычно влияние невелико, и его можно установить равным Inf.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Internal series gate resistor, Rg — сопротивление, связанное с подключением управляющего электрода
10 Ом (по умолчанию)

Сопротивление, связанное с соединением управляющего электрода. Типичное значение — порядка нескольких Ом, и его влияние на статические и динамические характеристики невелико. Поэтому его точное значение не так важно, но его наличие помогает избежать проблем при численном моделировании, если затвор управляется непосредственно источником напряжения. Вы можете указать любое положительное значение.

Product of NPN and PNP forward current gains — произведение коэффициентов усиления прямого тока NPN и PNP
10 (по умолчанию)

Это произведение коэффициента усиления прямого тока NPN и коэффициента усиления прямого тока PNP . Значение должно быть больше единицы, чтобы произошла фиксация. Чем меньше значение, тем больше ток фиксации. Однако ток фиксации в основном задается другими параметрами блока, а общий коэффициент усиления оказывает лишь незначительное влияние.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите значение Fundamental nonlinear equations для параметра I-V characteristics defined by.

Библиография

[1] G. Massobrio and P. Antognetti. Semiconductor Device Modeling with SPICE. 2nd Edition, McGraw-Hill, 1993.