用于计算机辅助设计的晶闸管模型

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.04.013 北京钢铁学院学报 第9卷第4期 Journal of Beijng University Vol.9 No.4 1987年10月 of Iron and Steel Technology Oct.1987 用于计算机铺助设计的晶闸管模型 李晓明 黄汝激 (电路儿子教研室) 摘 要 本文讨论了用于功率电子电路的晶闸管模型的建立方法。给出了一个适用于计 算机辅助设计的非线性集中参数的品闸管等效电路模型。 棋型的建立是基于对器件内部载流子运动的物理过程进行模拟，分析了器件 的少数载流子注入；空间电荷区内部载流子的产生与复合；雪崩倍增效应：基区宽 度调制效应及电荷存贮效应，將反映这些物理过程的数学公式用非线性电路元件表 示，组成了由非线性电阻、电容及受控电流源所构成的晶闸管模型。 利用这个模型可以分析届闲管开关过程的动态非线性特性。 关键词：晶闸管，模型，计算机辅助设计 Thyristor Model for Computer Aided Design Li Xiaoming Huang Ruji Abstract This paper describes the method of constructing the model for thyri- stor device which used for power electric circuits and presents a nonline- ar lumped equivalent circuit model for it, In modelling of the thyristors,it is based on the analog of the physical process of carriers moyement inside the devicc.The following facts are also analysed: 1 Injection of minority carriers in device. 1986一07一16收稀 90

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 用于计算机辅助设计的 晶闸管模型 李晓明 黄汝激 电路电子教研室 摘 要 川 本文讨论 了用于功率电子电路的 晶闸管模型的建立方法 给 出了一个适用于计 算机辅助设计的非线性集中参数的晶闸管等效电路模型 模型的建立是基于对 器 件 内部载流子运动的物理过程进行模拟 ， 分析了器件 的少数载流子注入 空间电荷区 内部载流子的产生与复合 雪崩倍增效应 基区宽 度调制效应及电荷存贮效应 将反映这些物理过程的数学公式用非线性电路元件表 示 ， 组成了由非线性电阻 电容及受控电流源所构成的晶闸管模型 利用这个模型可以分析晶闸管开关过程的动态非线性特性 。 关桩词 晶闸管 ， 模型 ， 计算机辅助设计 目 “ 七 ， ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．04．013

2 Generation and recombination of carriers in space charge re- gion。 3 )The effects due to the avalanche multiplication basewidth mo- dulation,and charge storage. The mathematical formulas describing these physical process are replaced by corresponding nonlinear elements and an equivalent circuit model for a thyristor is formed which consists of nonlinear resistors,nonlinear capacitors and controlled current sources. Using this model,it is possible to analyse the dynamic nonlinear characteristics of thyristor's ON-OFF process, Key words:thyristor,model,computer aided design CAD 引 言 用等效电路模拟晶闸管元件，进行功率电子电路的计算机辅助分析，从70年代初就 被人们所关注。最早的模型是将晶闸管等效成简单的开关，它仅适于分析由多个晶闸管 所组成电路的稳态过程。对于晶闸管状态转换过程进行分析，开关模型是太粗糙了，不 能反映出瞬态变换过程的重要非线特性。因此有必要根据器件工作的物理过程，建立比 较精确的模型。对此，国外已发表一些文献，但国内则很少。本文参照已有的模型加以改 进，针对国内生产的普通晶闸管器件，建立了反映品闸管动态特性的用于计算机辅助设 计的模型。 1晶闸管器件模型的建立 晶闸管是一种PNPN4层结构的半导体器件，其工作过程可以用两个晶体3极管互 相连接构成的电路进行说明。本文建立的等效电路模型就是参照晶体3极管的扩展 Ebers-Moll模型，对于晶闸管内部少数载流子运动规律进行分析，得出描述这种物理过 程的数学方程式，然后用非线性电阻、受控电流源，非线性电容等基本电路元件构成晶 闸管的等效电路模型。 在建立模型的过程中，考虑了空间电荷区的载流子向扩散区的注入，空间电荷内 载流子的产生和复合，扩散区内的电荷积累，空间电荷区内存贮电荷的变化。还考虑了 晶闸管工作时的基区宽度调制效应，雪崩倍增效应，发射区重掺杂，大注入情况及发射 极短路结构对模型参数的影响。在晶闸管模型化时，使模型参数与器件的物理特性一一 对应，注意到尽可能反映实际特性，又使模型不过于复杂。下面就论述模型所表示的物理 过程及其构成。 图1是表示品闸管结构及载流子浓度分布的简单示意图。根据此图分析各扩散区内 载流子的变化，进而得到表示各PN结处电流变化的方程。 91

· 。 吐 ， 已 ， 承 ， ， ’ 一 ， ， 它 食二 卜 用 等效电路模 拟 晶闸管元 件 ， 进 行功率 电子 电路的计算机辅助分析 ， 从 年代初就 被 人们所关注 。 最早的模型是 将晶闸管等效成简单的开关 ， 它 仅适 于分析由多个晶闸管 所组成 电路的稳态过程 。 对于 晶闸管状态转换过程进行分析 ， 开关模型是 太粗糙了 ， 不 能反映 出瞬态变换过程 的重 要非线 特性 。 因此有必要根据器件工 作 的物理 过程 ， 建立比 较精确的模 型 。 对此 ， 国外已发表一 些 文献 ， 但国内则很少 。 本文参照 已 有的模型加以改 进 ， 针对 国内生 产的普通 晶闸管器件 ， 建立了反映 晶 管动态特性的用 子计算机辅助设 计的模型 。 晶 闸管器件模型的建立 晶闸管是 一种 层结构的半导 体器 件 ， 其工 作过程可以用 两个 晶体 极管互 相连接构成的 电路进 行说 明 。 本文建立的等效电路模型就是 参了照 晶 体 极 管 的 扩 展 一 模型 ， 对 于 晶闸管内部少数载流 子运动 规律进 行分析 ， 得 出描述这种物理 过 程 的数学方程式 ， 然后用非线 性电阻 、 受控 电流源 ， 非线性 电容等基本电路元件构成晶 闸管的等效电路模型 。 在建立模型的过程 中 ， 考虑 了空 间电荷区的载流 子 向扩散区的注 人 ， 空 间 电 荷 内 载流子的产生 和复合 ， 扩散 区内的 电荷 积 累 ， 空 间电荷 区 内存贮电荷的 变化 。 还考虑 了 晶闸管工 作时的基区宽度调制效应 ， 雪崩倍增效应 ， 发射 区重 掺杂 ， 大注 入情况 及发射 极短路结构对模 型参数的影响 。 在 晶闸管模型 化时 ， 使模型参数与器件的物理特性一一 对应 ， 注意 到尽可 能反映实际特性 ， 又 使模 型不 过于复 杂 。 下 面就论 述模型所表示 的物理 过程及 其构成 。 图 是 表示 晶闸管结 构及载流子 浓度分布的简单示意 图 。 根据此图分 析各扩 散区内 载流 子 的 变化 ， 进 而 得到表示 各 结处 电流 变化的 方程

1.1少数载流子的注人 M 建立模型的方法是先考虑主要因素建立基 P2 本模型，然后讨论各种情况产生的影响。因此 在考虑扩散区内少子注入电流时，首先假设： 01 Pp(o) (1)晶闸管是一维的，3个结是平行平 面结， (2)忽略势垒区的复合作用，通过势垒 P 区的电流不变： Ni (3)小注入情况，且P,和N2区的长度 比少数载流子扩散长度长得多，从而两端少数 图1·晶闸管载流子浓度分布示意图 载流子密度都等于其平衡值。 Fig.1 Distribution of thyristor carriers density 根据以上假设和图1所示晶闸管载流子密 度分布图，列出各区的载流子电流密度方程， 并由电流密度方程求出各区少数载流子电流密度。通过PN结的电流是通过空间电荷区 ·向P区注人的电子电流和向N区注人的空穴电流之和。这样求得了通过3个PN结的电流 如下： ID1=Is1 (eqV;/kT-1)-K:Is:eRV:/kT-1) (1) ID2=Is:(e9V:/kT-1 )-K2Is1(e9Vk-1 )-K31s3(eRV3/kT-1)(2 IDs Iss egV3/kT-1 )-K4Is:(e9Va/kT-1 (3) 其中，Is1=A19ni/Cg1(P,:/Da:)e(W1-X)LaP1dx〕 +AigDnini/NaiLiith (W/L)) (4) 152=〔A2 Dor:n/P,（o)〕e2Wa19〔Z.cthZoW,a-1/g) AaqDrin/NiLraith (W/L1)) (5) Isa=〔As9Da:ni/P,2(o)〕〔1/g+ZocthZoW:〕+A9ni/〔ga (Nna/Dar)e-AEB/KTe-(Wn:-X)/Lrn:dx (6) K:={1/〔ch(Wm1/L:)〕}1/A1+〔Da2e2WalB(Z.cthZ,W,:-1/g) .th (Wa/L:n).Ln'Nai/D:n/p::(o)) (7) K&={1/〔ch(Wn/L,a1))1/八1+NaL1th(W1/La1)/ 〔Dm1·∫81(P,/Dn1)e-(W.-X)Lap1dx)} (8) K,={1〔1+(n-1)/m2.(W:/La2)2〕} 1/八1+P,:(o)/C∫8n(N./Dn2)e-4E8 KT.e-X/Lrn:dx〕 /〔1/g+Z。cthZoW,:〕/Dnr:} (9) K4={1/(1+(e"-n-1)/m2.(Wra/Ln2)〕} ·1/八1+D,1P,(o)/〔Dm2e2wpg(Z.cthZoW:-1/g) ·L,Na:th（Wni/Lpn1)} (10) 其中：D,D,分别表示电子和空穴扩散系数 μ，μp分别表示电子和空穴的漂移系数， ”,p分别表示电子和空穴浓度， 92

汽 几 一一言一一一一贪州 饭洲 ‘ 一 上 软 一 双 」口 图 · 晶闸管载流子浓度分布示意图 ‘ 卜 少数载流子 的注人 建立模型的方法是 先考虑主要 因素建立基 本模型 ， 然后讨论各种情况 产生 的影响 。 因此 在考虑扩散区内少子注 人电流时 ， 首先假设 晶闸管是 一维的 ， 个结是平行平 面结 忽略势垒 区的复合作用 ， 通过势垒 区的电流不 变， 小注 入情 况 ， 且 和 区的长度 比少数载流子扩散长度长得多 ， 从而 两端少数 载流子密度都等于其平衡值 。 根据以上假设和 图 所示 晶闸管载流子密 度分布图 ， 列 出各区的载流子 电流密度方程 ， 并由电流密度方程求 出各区少数载流子 电流密度 。 通过 结的电流是 通过空 间 电荷区 ， 向 区注 人的电子 电流 和向 区注 人的空穴 电流之 和 。 这 样求得了通过 个 结的电流 如下 。 一 一 一 。 ， 一 一 ” 一 一 ” 一 。 ， ， ， 一 一 ‘ ， ， 一 其中 ， 刁 。 爹 〔 玉忿 ， 尸， 刀 。 ， 。 一 ， 一 ， ， 二 〕 ， ， ， 营 〔 。 ，。 班 。 ，。 ， 〕 二 〔 口 。 ， ” ， 〕 · ， ‘ ， 〔 。 。 班 ， 一 〕 ， 。 食 〔 。 ，。 牙 ，。 〕 。 〔 口 ， ， 〕 〔 夕 。 才 ， 〕 〔 互万 ， ， ， 。 ， 一 ‘ 一 一 ， 〕 〔 附 。 ，。 〕 卜 八 〔 刀 。 ， ， ‘ 。 。 附 ， 一 · 牙 。 ， · ， 。 · 。 ， ， ， 〕 〔 平 。 ， 。 〕 · 。 · ， 。 · 牙 。 ， 。 〔 ，。 · 曹 ， ， ， 一 一 二 〕 。 〔 叮一 叮 · 附 ， 。 ， 么 〕 · 护 〔 曹 。 ， 一 ‘ ‘ ， · 一 ， 劣 〕 〔 夕 。 · 。 平 ， 〕 。 ， 。 〔 ， 一 刀 一 八 · 不 ， ， “ 〕 圣 · ， · ， 〔 。 ， · ， ， 。 。 附 ， 一 · ， 。 。 班 ， 其中 刀 。 ， ，分别表示 电子 和空穴扩散系数， 卜 。 ， 林，分别表示 电子 和空穴 的漂 移系数， ， ， 分别表示 电子 和空穴 浓度

E表示电场强度。 n=ln〔P2(o)/P2(Wp)) g=Wr:/n Z。=(1/g2+1/Ln2)/ We为基区的有效宽度。 对于普通元件，从式(4)(5)(6)得出常数代入式(1)(2)(3)即 可。式(7)(8)(9)(10)所示乘积项的最后一项也是常数。因此，虽然公式看 起来复杂，但是只要将管子结构参数代入，则实现该模型还是比较简单的。 这组方程描述了小注入条件下载流子的扩散方程。(1)(2)(8)式中的PN 结电流可分成两部分：一部分PN结电流来源于本PN结电压的作用，这可用非线性电阻 一理想二极管来表示，另一部分PN结电流来源于另一PN结电压的作用，这可用受控电 流源表示。由此构成了模拟晶闸管中载流子注入和扩散效应的最基本等效电路。 1.2空间电荷区的复合一产生电流 在前面扩散电流推导中，曾假设电流通过势垒区时保持不变，忽略了空间电荷区的 复合一产生电流。而实际上，在元件电流很小时，空间电荷区复合一产生电流可大于扩 散电流，从而减小了结之间的相互影响，降低了注入效率。考虑到电流放大系数受电流变 化的影响是晶闸管正常工作的一个关键因素，因此在模型中以非理想二极管进行模拟。 I,1=I,,1·(e9v112kT-1) I=41qxm0.5ni/tn+tr) (1=1,2,3) (11) 其中：I,1表示复合一产生电流；A,表示结面积， xm:表示空间电荷区宽度；tn、T表示电子和空穴的寿命。 1.3雪崩倍增效应 各PN结的击穿电压决定了晶闸管的阻断能力，由Miller实验给出了雪崩倍增因子 的表达式： M=1/〔1-(V/WB)n〕 (12) 其中：V为雪崩击穿电压，对于硅n取6(6)。 将雪崩倍增因子作为前面导出的电流方程的一个乘积项，恻模型中包含了这一效应 的影响。 1,4基区宽度调制效应 零偏时，空间电荷区的宽度是一定的，因而基区宽度也是一定的，但是当外加电压 时，空间电荷区宽度变化要引起基区览度变化。例如，正向阻断状态，外加电压正越高，J2 结承受的反向电压越火，使空间电荷区展宽，长短基区都变窄，电流放大系数增大了。 空间电荷区的宽度可表示为： 突变结：Xm={(2eeo/q)〔V(NA+Nn)/(Na·N,))}: (13) 缓变结：Xm=〔12eeo'/(ga))/3 (14) 其中：Na·N分别表示PN结两侧受主和施主朵质密度， a为PN结处杂质浓度梯度； 93

卜 表示 电场强度 。 刀 〔 沙 〕 刀 附 ， ， 。 习“ 。 落 ‘ ’ 附 为基 区的 有效宽度 。 对于 普通元 件 ， 从式 得 出常数代 入式 即 可 。 式 所示 乘积 项 的最后 一项也是 常 数 。 因此 ， 虽 然公式看 起来复杂 ， 但 是 只要 将管子结构参数代 人 ， 则实现该模型还 是 比较简单的 。 这组方程描述 了小注 人条件下载流子 的扩散方程 。 式 中 的 结电流可分成两部分 一部分 结 电流 来源 于本 结 电压 的作用 ， 这 可 用非 线 性电阻 一理 想 二 极管来表示 ， 另一部分 结电流 来源 于另一 结电压 的作用 ， 这可 用受控 电 流源表示 。 由此构成 了模拟晶闸管中载流子注 入和扩 散效应 的最基本等效电 路 。 空 间电荷区的 复合一产 生电流 在前 面扩 散 电流 推导 中 ， 曾假设 电流通过势垒 区时保持不 变 ， 忽 略 了空 间电荷 区的 复合一产生 电流 。 而实际上 ， 在元 件电流很 小时 ， 空 间电荷 区复合一产生 电流可 大于扩 散电流 ，从而减 小 了结之 间的相互影响 ，降低 了注 入效率 。 考虑 到 电流放大系 数受 电流 变 化的影响是 晶闸管正常工 作 的一 个关键 因素 ， 因此在 模型 中以非理想 二极管进 行模拟 。 ， · “ 一 一 ，· · ‘ 下 。 ， ， ， 其中 ， ，表示 复合一产生 电流 ， 月 表示结面积 ， ，表示 空间电荷区宽度， 下 。 、 护表示 电子 和空穴 的寿命 。 雪崩倍增效应 各 结的击穿 电压 决 定 了 晶闸管的阻断 能力 ， 由 实 验给 出 了雪 崩倍 增因 子 的表达式 〔 一 犷 犷。 ” 〕 其中 犷。 为雪 崩击 穿 电压 ， 对 于硅。 取 〕 。 将雪崩倍增因子 作为前面导 出的电流 方程 的一 个乘积 项 ， 则模型 中包含 了这一效应 的影响 。 基区宽度调制效 应 零偏时 ， 空 间电荷区 的宽度是 一 定 的 ， 因而 基区宽度也 是 一 定 的 ， 但是 当外加 电压 时 ， 空 间电荷区宽 度变化要 引起基 区宽度 变化 。 例如 ， 正 向阻 断状 态 ， 外加 电压 越 高 ， 结承受 的反 向电压越 大 ， 使空 间电荷 区展 宽 ， 长 短基区都 变窄 ， 电流 放大系数增大 了 。 空 间电荷区 的宽度可表示 为 突 变结 。 ’ 。 〔 厂 。 · 。 〕 ’ 厂 缓变结 。 〔 。 。 泊厂 〕 ‘ 其 中 · 分别 表示 结两 侧 受主 和施主 杂质 密度 “ 为 结处杂质 浓 度梯度

xm为PN结空间电荷区宽度， eo、c分别表示真空电容率和相对介电常数。 一般J1、J结可看作突变结，J,可看作是缓变结。 这样，基区的有效宽度为零偏时的基区宽度减去相应空间电荷区的宽度，将基区有 效宽度代入(7)(8)(9)(10)式，则K,就成为PN结电压的函数了，代入(11) 式可知空间电荷区复合一产生电流系数也同样是PN结电压的函数。 根据以上讨论，可以形成晶闸管的一个直流模型，要反映出瞬态特性，还须进一步 讨论电荷存贮变化的影响。 1.5电荷存贮效应 (1)结电容：结电容是对外加电压变化引起空间电荷区中电荷存贮变化的模拟， 类似于一般晶体三极管结电容方程的推导，其方程表示如下： 对于突变结：C11=C。/(的-V,)1 (1=1,2,3) 其中：C。=A〔geeoND/2〕 =1+(KT/g)〔1-1n(N./N)) (NA/N.>10) 对于线性缓变结：C1=C1。/以-V,)/3 (1=1,2,3 其中：C1。=A〔q(εe。)2a/12〕1/3 =2/3·(KT/g)ln〔a2(KT/g)eeo/(8gn3)〕 (2)扩散电容：如果PN结加正向电压，N区就有非平衡空穴，等于存贮了正电 荷，同时有从电极来的非平衡电子要和空穴中和，这等于存贮了负电荷。可以将PN结 扩散区内少数载流子电荷随电压的变化看成是PN结扩散电容效应。当电压增大，扩散 区的电荷量增加，相当于电容充电，当电压减小，扩散区的电荷量减少，相当于电容放 电。通过计算扩散区内的非平衡少数载流子，找出与扩散电流的关系，得到扩散电容方 程如下： C1=（trm1/P,)(I1-k2I1) (19) Co:=(trn2/顶2)（I2-k1I2) (20) Co3=(tn2/∥.)（Is-kgIs) (21) 其中：T?n1、t,n2分别表示长短基区内少子寿命， P,(1=1,2,3)是正向导通电压，一般取0.5~0.7V。由此可见，扩散电容可 表示为扩散电流的函数，而τP1(I:-k2「：)正反映了与J1结通过电流相关的长基区 中非平衡电荷，式(20)(21)同样反映了对非平衡电荷变化的模拟。由于K:已【，已 含有对基区宽度调制效应及雪崩倍增效应的考虑，因此自然地考虑了这些因素对扩散电 容的影响。I!,K:I,是模型中可以直接引用的电流量，因此对扩散电容效应进行模拟 的方程简单且物理意义明确。 1.6发射结短路结构 为了使晶闸管有良好的阻断特性，同时又具有良好的导通特性，目前实际生产中普 遍采用短路发射结的方法。考虑发射结短路结构，在模型中发射结等效二极管旁增加一 并联电阻Rg: 94

， 为 结空 间电荷区宽度， 。 、 分别表示真空 电容率和相对介电常数 。 一 般 、 结可看作 突 变结 ， 可看作是 缓变结 。 这样 ， 基区的有效宽度为零偏时的基区宽度减去相应空 间电荷区 的宽度 ， 将基区有 效宽度代 入 式 ， 则 就成为 结电压 的函数 了 ， 代 人 式可知空 间电荷 区复合一产生 电流系 数也同样是 结电压 的函数 。 根据以上讨 论 ， 可以 形成晶闸管的一个直流模型 ， 要反映 出瞬态特性 ， 还须进一步 讨 论电荷存贮变化的影响 。 电荷存贮效应 结电容 结电容是 对外加 电压 变化引起空间电荷区 中电荷存贮变化的模拟 ， 类似于一般 晶体三极管结 电容方程 的推导 ， 其方程表示如下 对于突变结 ，。 功飞一 犷 ， ， ‘ 二 ， ， 其 中 。 〔 。 。 。 。 刃 。 〕 ‘ ’ 功飞 功 〔 一 。 〕 。 对于线 性缓变 结 ，。 例 一 厂 ， “ ‘ 卜 ， ， 其 中 。 · 〔 。 。 。 “ 〕 ‘ ’ 必百 · · 〔 。 。 。 〕 扩 散 电容 如果乎 结加正 向电压 ， 区就 有非平衡空穴 ， 等于存贮 了 正 电 荷， 同时有从 电极来的非平衡 电子要 和空穴 中和 ， 这等于 存贮 了负电荷 。 可 以 将 结 扩 散区内少数载流子 电荷随 电压 的变化看成是 结扩 散 电容效应 。 当电压 增大 ， 扩 散 区的电荷量 增加 ， 相 当于 电容充 电， 当电压减小 ， 扩散区的 电荷量减 少 ， 相 当于 电容放 电 。 通过计算扩散区 内的非平衡少 数载流子 ， 找 出与扩散电流 的关 系 ， 得到扩散电容方 程如下 。 ，。 厂 一 掩 。 ， 厂 一 寿 。 ， 。 一 其 中 ， 、 ， 。 分别表示长短基区内少子寿命 ， 卜 ， ， 是 正 向导 通 电压 ， 一般取 一 。 由此可 见 ，扩 散电容可 表示 为扩散 电流 的函 数 ， 而 ， 。 一 舜 正反映 了与 结通 过 电流相关 的 长 基 区 中非平衡 电荷 ， 式 同样反映了对非平衡电荷变化的模拟 。 由于 已 、 已 含有对基区宽度调制效应及雪崩倍增效应 的考虑 ， 因此 自然地考虑 了这 些 因素对扩 散 电 容的影响 。 ，， 是模型 中可以 直接引用 的 电流量 ， 因此对扩散电容效应进 行 模 拟 的方程简单且物理意义 明确 。 。 发射结短路结构 为 了使 晶闸管有 良好 的阻 断 特性 ， 同时又具 有 良好 的 导通 特性 ， 目前实际生 产 中普 遍采用短 路发射结 的方法 。 考虑发射结短 路结构 ， 在模 型 中发射结等效二极管旁增加 一 并 联 电阻 州

Rg=〔p1/(2rWp2))·1n(r1/ro) 其中：P1为短基区平均电阻率；W,2为短基区宽度，r1为短路环外半径，r。为短路环内 半径。 到此，我们得到了一个能反映晶闸管动态 非线性特性的模型，该模型如图(2)所示。 K12 其中：I,为(1)(2)(8)式的前一项， 即I1=1.1(e9vKT-1),C:为结电容与 扩散电容之和：C,=C。1+C11。 由上述推导可见，模型的元件是由实际器 件的结构参数所决定时。模型参数确定之后， 可以用一般的电子电路分析程序对晶闸管电路 进行分析。作者用占有400kB内存的通用电路 分析程序ECAP对晶闸管电路进行了分析，取 图2晶闸管仿真模型 得了较好的结果，下面给出部分仿真实例。 Fig.2 Thyristor model for simulation 2晶闸管仿真分析举例 根据工厂实际测量的晶闸管参数，以KP500晶闸管为例，对器件特性及RC过压保 护电路等进行了仿真分析，取得了与实际特性一致的结果。在此给出仿真模型的主要参 数及两个特性仿真分析结果。 KP500晶闸管模型的主要参数如下： I,:=5.4×10-9(A),I.2=8.3×10-9(A),I,3=1.8×1010(A) 11=1.7×10-6(A),I2=1.5×10-6(A),1,3=5.3×10-7(A) C101=1.3×10-8,C102=1.24×10-8 ,C108=2.1×10-7 m1=0.5 ,m2=0.5 ，m3=0.33 φ1=0.707 ，p2=0.707 ,ps=1.02 Trn1=3×10-5 ’trn2=3×10-5 ，TnP2=3.8×10-6 Vg=2363.5(V) (1)KP500晶闸管直流特性仿真结果 图3给出了晶闸管正反向耐压的仿真结果，这个结果与实际特性是相符的。 7SCR =100mA -2000 R2 2000u,V 图3品闲管正反向压特性仿真分折 Fig.3 Simulation of thyristor withstand voltage character 95

〔 “ 班 〕 。 其 中 为短基 区平均 电阻率 附 ， 为短基区宽度 ， 半径 。 到此 ， 我们 得到 了一 个能反映晶闸管动态 非线 性特性的模 型 ， 该模型如 图 所示 。 其中 为 式的前一项 ， 即 气 一 ， 为结 电容与 扩散电容之和 ， 。 ， ， 。 由上述 推导可 见 ， 模型 的元 件是 由实际器 件 的结构参数所决定时 。 模 型参数确 定之后 ， 可以用 一般 的电子 电路分析程序对 晶闸管电路 进 行分 析 。 作者用 占有 内存的通用 电路 分 析程序 对 晶闸管电路进 行 了分析 ， 取 得 了较好 的结 果 ， 下 面给 出部分仿真实例 。 为短 路环外半径 ， 。 为短路环 内 、 ，， 〕 ” 本 ， ’七 〕 二 ‘幸 ’ 〔少 ‘ ’ ， 图 晶闸管仿真模型 ‘ 晶 闸管仿真分析举例 根据工 厂 实际测 量的 晶闸管参数 ， 以 晶闸管为例 ， 对器 件特性及 过 压 保 护电路等进 行 了仿真分析 ， 取得 了与实际特 性一致 的结果 。 在此给 出仿真模 型的主要参 数及两 个特性仿真分析结果 。 晶闸管模型 的主要 参数如下 ， 一 ” 了 ， 一 。 ， 。 又 一 生“ 一 ， 一 ， 火 一 ，。 一 ， 。 火 一 ， 。 一 川 。 ， 协 。 一 阴 。 功 ， 诱 “ ， 功 ， 丫 ， 二 一 ， 丫 ，。 一 ， 丫 。 ， 。 一 犷 晶闸管直流特性仿真结果 图 给 出了 晶闸管正反 向耐压 的 仿 真结 果 ， 这 个结 果 与实际特性是 相符 的 。 户 畔卜幼 甲 ， 艺二 枯二 · 了 一 ， 图 品闸管正反 向耐压特性仿 真分析 口

(2)KP500晶闸管瞬态特性仿真结果 图4给出了导通、关断时，晶闸管电流和电压变化曲线。这组仿真曲线与实际特性 也基本一致，由于实际产品特性分散性很大，因此对不同特性参数的晶闸管仿真时，需 对相关的模型参数做一些调整。 另外，还可以用该模型对dv/t等器件特性进行分析，并可以用于电路分析。在实 际电路分析中，还可以根据具体分析对象，对模型作适当的简化，在保证-一定精度的前 提下，可减少计算机的运行时间。 Ea,Ig 40mH 1000 7SCR isCRUSCR 50 100t,4s Ea 1000 USCR /I SCR 50 一100t,4s 图！品闸管晖态特性的仿真分析结果 Fig.4 Simulation of thyristor transient character 实际分析结果说明，晶闸管的这一等效电路模型是可行的，能够反映出实际元件的 特性，对于使用计算机辅助分析晶闸管电路具有实际意义。 3结 语 本文建立的器件模型是从器件物理过程进行分析推导的，因而模型反映的物理意义 明确，从分析结果看与实际器件特性是相符的。在实际分析中，可根据具体对象和分析 要求，对模型作相应简化，这样可以节省机时。另外，温度对模型参数的影响还有待于 进一步研究。 参考文献 1 Kutman,T,/EEE,Vol,IECI-21,1974 〔2〕Chua,L.:IEEE,1980 (3 Williams,B.V.Solid-State Element,Vol.25,No.5,1982 〔4)木村勤，村上吉繁：少数卡中)マ②举动忆着目步才)又夕毛デ儿上冬丸 亿上方〈回路少之：工一之ョ电子通信学会研究会资 料CΛS81-123 〔5〕浙江大学半导体器件教研室：品体管原理，1980国防工业出版社 〔6〕请华大学，北京变压器厂：大功率可控硅原理与设计，1975，人民教育出版社 96

晶闸管瞬态特性仿真结果 图 给 出了导通 、 关断 时 ， 晶闸管电流和电压 变化曲线 。 这组仿真曲线与实际特性 也基本一致 ， 由于实际产品特性分散性很大 ， 因此对不 同特性参数的晶闸管仿真时 ， 需 对相关 的模型参数做一些调整 。 另外 ， 还 可 以用该模型对 。 等器件特性进 行分析 ， 并 可 以 用于 电路分析 。 在 实 际 电路分析中 ， 还 可以 根据具体分析对象 ， 对模型 作适 当的简化 ， 在 保证“ 定精度 的前 提下 ， 可减少 计算机的运 行时 间 。 ’ 压 爪斌， 片丽一一而 ” 芬泛立 图 晶闸管瞬态特性的仿真分析结果 几 一 实际分析结果说明 ， 晶闸管的这 一等效电路模型 是 可 行的 ， 能够反映出实际元 件的 特性 ， 对于 使用计算机辅助分析晶闸管电路具有实际意义 。 结 语 本文建立的器件模型是 从器 件物理过程进行分 析推导 的 ， 因而模型反 映的物理意 义 明确 ， 从分 析结果看与实际器件特性是 相符 的 。 在实际分 析 中 ， 可 根据具体对象和分析 要 求 ， 对模型作相应简化 ， 这 样可 以 节省 机时 。 另外 ， 温度对模型参数的影响还 有待于 进一步研究 。 参 考 文 献 〔 〕 ， ， 一 ， 〔 〕 ， 。 ， 幼 〔 〕 ， 一 川 ” ， ， ， 〔 〕 木村勤 ， 村上 吉 繁 少数 牛 个 。 举 动 比 着 目 匕 九 廿 才 ， 久 夕 毛 岁 少。 己 壬 ’ 乙 色巴弓 回路 夕 三 工 卜 一 夕 日 夕 电子 通 信学 会研究 会资 料 一 〔 〕 浙江 大学 半导 体器 件 教研室 品体管原理 ， 国防工 业 出版社 〔 〕 清华大学 ， 北京变压 器 厂 大功率可控硅 原理 与设 计 ， ， 人 民教 育 出版社