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清華大學電機系充電機電子系統及發電設備安全控制和仿真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，開關模式是充電機電子系統實施電磁能量變換的基本模式，充電機功率半導體器件的充電機開關特性則成為這種能量變換的關鍵屬性。從充電機開關特性的角度出發，基于對器件充電機開關特性和對充電機電子系統多時間尺度特性的認識，提出一組充電機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，并反映不同的充電機開關特性。所提多時間尺度瞬態模型，參數可直接從器件數據手冊中提取，對提取方法進行較詳細的闡述。所提的充電機功率開關器件多時間尺度瞬態模型在裝置和系統的分析設計中具有很強的實用性。

充電機電子技術以充電機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“充電機開關特性”決定了一代充電機電子技術。縱觀整個充電機電子技術發展的歷史，“充電機電子開關”從最初的汞弧整流器，發展到目前廣泛應用的硅基半導體器件，再到寬禁帶半導體器件，人們一直在追求更好的充電機開關特性，即大容量、低損耗、高頻率和快響應。除了開關器件的進步以外，人們也在尋求其他的技術手段，來改善現有器件的充電機開關特性，例如多種多樣的軟開關技術等[1]。因此可以說，充電機開關特性是充電機電子技術的基礎和核心。

然而對于充電機功率半導體器件的充電機開關特性，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采用了理想開關模型。這種過于理想的建模不能反映開關容量、開關損耗、開關頻率、開關響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恒的，理想充電機開關特性是不存在的。建立一套充電機功率開關器件的瞬態模型，以反映器件的充電機開關特性，將對充電機電子裝置和系統的分析與設計具有重要意義，從而為以“充電機開關特性”為基本點的充電機電子系統設計與控制建立分析基礎。

在建立充電機功率開關器件瞬態模型的過程中，必須考慮到充電機電子系統的多時間尺度特性。充電機電子系統是多時間尺度的混雜系統，由于系統的各電磁回路參數量值不同，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。

從信號脈沖到驅動脈沖，再到能量脈沖以及負載波形，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。具體考察充電機開關特性時，多時間尺度特性使得對于同一開關過程，從不同的時間尺度觀察，將得到完全不同的開關波形特征，也將觀察到不同的充電機開關特性，如圖2所示。所呈現的瞬態波形有很大區別。因此，對于不同的電磁瞬變過程的時間尺度，根據所關注的時間尺度不同，應當建立不同的開關瞬態模型，來描述開關對應的電磁瞬變過程；而當考慮全時域電磁瞬態過程的建模和解算時，則必須建立多時間尺度瞬態模型之間的連接，使得整套模型具備協調性和統一性。

于以上認識，本文以目前最常用的充電機電子器件絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）為例，對充電機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充電機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，采用不同的瞬態模型來描述充電機功率開關器件的瞬態行為。

目前市面上的充電機功率開關器件型號很多，本文提出的器件多時間尺度模型，參數可全部從器件數據手冊（datasheet）中提取。這樣避免了針對每款充電機功率開關器件瞬態建模都需要通過搭建實驗平臺來提取器件參數的麻煩，給器件瞬態模型的實際應用帶來了可能。

圖1  充電機電子變換系統的多時間尺度特性

結論

本文基于對充電機功率開關器件的充電機開關特性和充電機電子系統多時間尺度特性的認識，提出了一種充電機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，闡述了由充電機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充電機器件數據手冊獲取，這使得所提瞬態模型具備可推廣性和實際應用價值。