清華大學電機系電力系統及發電設備安全控制和模擬國家重點實驗室的研究人員施博辰、趙爭鳴、蔣燁、朱義誠， 在2017年第12期《電工技術學報》上撰文指出， 開關模式是電力電子系統實施電磁能量變換的基本模式， 功率半導體器件的開關特性則成為這種能量變換的關鍵屬性。 從開關特性的角度出發， 基於對器件開關特性和對電力電子系統多時間尺度特性的認識， 提出一組功率開關器件多時間尺度瞬態模型。
根據時間尺度的不同選取不同的瞬態模型來描述器件的開關瞬態過程， 並反映不同的開關特性。
電力電子技術以功率半導體開關模式和組合模式作為電磁能量變換的基本方式， 可以這樣說：一代“開關特性”決定了一代電力電子技術。 縱觀整個電力電子技術發展的歷史， “電力電子開關”從最初的汞弧整流器， 發展到目前廣泛應用的矽基半導體器件， 再到寬禁帶半導體器件， 人們一直在追求更好的開關特性， 即大容量、低損耗、高頻率和快回應。 除了開關器件的進步以外， 人們也在尋求其他的技術手段， 來改善現有器件的開關特性，
然而對於功率半導體器件的開關特性， 一直缺乏系統化的認識和描述。 在大部分裝置和系統的設計中， 對開關器件的建模主要採用了理想開關模型。 這種過於理想的建模不能反映開關容量、開關損耗、開關頻率、開關回應等重要的開關過程特性。 事實上， 在實際的裝置中， 電磁能量的變化必然是連續和守恆的， 理想開關特性是不存在的。 建立一套功率開關器件的瞬態模型， 以反映器件的開關特性， 將對電力電子裝置和系統的分析與設計具有重要意義， 從而為以“開關特性”為基本點的電力電子系統設計與控制建立分析基礎。
在建立功率開關器件瞬態模型的過程中， 必須考慮到電力電子系統的多時間尺度特性。 電力電子系統是多時間尺度的混雜系統， 由於系統的各電磁回路參數量詞不同， 造成其瞬態過程電磁時間常數不同， 在同一個電磁瞬態過程中呈現出多時間尺度的特性， 如圖1所示。
從信號脈衝到驅動脈衝， 再到能量脈衝以及負載波形， 其時間尺度分別為數十納秒級、數十微秒級、微秒級以及毫秒級。 具體考察開關特性時， 多時間尺度特性使得對於同一開關過程， 從不同的時間尺度觀察， 將得到完全不同的開關波形特徵， 也將觀察到不同的開關特性， 如圖2所示。 所呈現的瞬態波形有很大區別。 因此，
基於以上認識， 本文以目前最常用的電力電子器件絕緣柵雙極型電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）為例， 對功率半導體器件的開關機理和開關瞬態過程進行分析， 在此基礎上提出一種功率開關器件多時間尺度瞬態建模方法。 對不同時間尺度的要求， 採用不同的瞬態模型來描述功率開關器件的瞬態行為。
目前市面上的功率開關器件型號很多， 本文提出的器件多時間尺度模型，
圖1 電力電子變換系統的多時間尺度特性
圖2 同一開關過程的多時間尺度特性
結論
本文基於對功率開關器件的開關特性和電力電子系統多時間尺度特性的認識，提出了一種功率開關器件多時間尺度瞬態建模方法，用以在不同時間尺度下進行不同的等效簡化，得到相應的模型來描述器件瞬態行為。
本文以IGBT為例，闡述了由器件手冊獲取模型參數的方法。多時間尺度瞬態模型的參數可全部由器件資料手冊獲取，這使得所提瞬態模型具備可推廣性和實際應用價值。
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結論
本文基於對功率開關器件的開關特性和電力電子系統多時間尺度特性的認識，提出了一種功率開關器件多時間尺度瞬態建模方法，用以在不同時間尺度下進行不同的等效簡化，得到相應的模型來描述器件瞬態行為。
本文以IGBT為例，闡述了由器件手冊獲取模型參數的方法。多時間尺度瞬態模型的參數可全部由器件資料手冊獲取，這使得所提瞬態模型具備可推廣性和實際應用價值。
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