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IGBTwith Limited di/dt
IGBT with Limited di/dt
Purpose
Dynamic IGBT model with finite current slopes during turn-on and turn-off
Library
Electrical / Power Semiconductors
Description
In contrast to the ideal IGBT model (see page 361) that switches instanta-
neously, this model includes collector current transients during switching.
Thanks to the continuous current decay during turn-off, stray inductances
may be connected in series with the device. In converter applications, the di/dt
limitation during turn-on determines the magnitude of the reverse recovery
effect in the free-wheeling diodes.
This IGBT model is used to simulate overvoltages produced by parasitic induc-
tances in the circuit. Since the voltage and current transient waveforms are
simplified, the model is not suited for the simulation of switching losses.
Note
• Due to the small time-constants introduced by the turn-onand turn-off tran-
sients a stiff solver isrecommended for thisdevice model.
• If multiple IGBTs are connected in series the off-resistance may not be infi-
nite.
The behavior of this IGBT model is demonstrated with the following test cir-
cuit. The free-wheeling diode for the inductive load is modeled with reverse
recovery (see page 313).
Gate1
1
L_dc
V_dc
L_sigma
Drr1
IGBT2
379
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13
Component Reference
The diagram below shows the collector current i
C
(t) of the IGBT and the re-
sulting collector-emitter voltage v
CE
(t) during switching:
v
CE
0
100 %
t
f
t
r
t
i
C
t
off
t
on
0
10 %
90 %
100 %
Collector current and collector-emitter voltage
At t = t
o
the gate signal becomes zero, and the device current i
C
begins to
fall. The current slope follows an aperiodic oscillation
i
C
(t) = i
C
(t
o
)
2
6
4
e
2:4(t   t
o
)
t
f
1+
2:4(t  t
o
)
t
f
3
7
5
where t
f
is the fall time specified in the component parameters. As illustrated
in the diagram, the maximum rate-of-change during turn-off is determined by
t
f
.
At t = t
on
apositive gate signal is applied. Unless the rate-of-change is limited
by other circuit components, the current rises linearly with constant di/dt. The
maximim di/dt depends on the rated continuous collector current I
C
and the
rise time t
r
specified in the component parameters:
380
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IGBTwith Limited di/dt
di
max
dt
=0:8
I
C
t
r
The second diagram shows the collector current transients for different on-
state currents. It can be seen that the fall time is independent of the on-state
current. Since di/dt during turn-on is constant, the actual rise time is propor-
tional to the on-state current. In a real IGBT, the rise time would only vary
slightly with different on-state currents. Hence, assuming constant di/dt is
aworst-case estimate in respect of the reverse-recovery current in the free-
wheeling diode.
t
i
C
t
off
t
on
0
50 %
75 %
100 %
Parameters
Blocking voltage
Maximum voltage V
CES
in volts (V) that under any conditions should be
applied between collector and emitter.
Continuous collector current
Maximum dc current I
C
in amperes (A) that the IGBT can conduct.
Forward voltage
Additional dc voltage V
f
in volts (V) between collector and emitter when
the IGBT is conducting. The default is
0
.
On-resistance
The resistance R
on
of the conducting device, in ohms ( ). The default is
0
.
Off-resistance
The resistance R
o
of the blocking device, in ohms ( ). The default is
1e6
.
This parameter may be set to
inf
unless multiple IGBTs are connected in
series.
Rise time
Time t
r
in seconds between instants when the collector current has risen
from 10 % to 90 % of the continuous collector current I
C
(see figure above).
381
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13
Component Reference
Fall time
Time t
f
in seconds between instants when the collector current has
dropped from 90 % to 10 % of its initial value along an extrapolated
straight line tangent to the maximum rate-of-change of the current (see
figure above).
Stray inductance
Internal inductance L
in henries (H) measured between the collector and
emitter terminals.
Initial current
The initial current through the component at simulation start, in amperes
(A). The default is
0
.
Probe Signals
IGBT voltage
The voltage measured between collector and emitter.
IGBT current
The current through the IGBT flowing from collector to emitter.
IGBT conductivity
Conduction state of the internal switch. The signal outputs 0 when the
IGBT is blocking, and 1 when it is conducting.
382
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IGCT (Reverse Blocking)
IGCT (Reverse Blocking)
Purpose
Ideal IGCT with optional forward voltage and on-resistance
Library
Electrical / Power Semiconductors
Description
The Integrated Gate Commutated Thyristor is a semiconductor switch that is
controlled via the external gate. It conducts a current from anode to cathode
only if the gate signal is not zero.
Parameters
The following parameters may either be scalars or vectors corresponding to
the implicit width of the component:
Forward voltage
Additional dc voltage V
f
in volts (V) between anode and cathode when the
IGCT is conducting. The default is
0
.
On-resistance
The resistance R
on
of the conducting device, in ohms ( ). The default is
0
.
Initial conductivity
Initial conduction state of the IGCT. The IGCT is initially blocking if the
parameter evaluates to zero, otherwise it is conducting.
Thermal description
Switching losses, conduction losses and thermal equivalent circuit of the
component. For more information see chapter “Thermal Modeling” (on
page 103). If no thermal description is given the losses are calculated
based on the voltage drop v
on
=V
f
+R
on
i.
Initial temperature
Temperature of all thermal capacitors in the equivalent Cauer network at
simulation start.
Probe Signals
IGCT voltage
The voltage measured between anode and cathode.
IGCT current
The current through the IGCT flowing from anode to cathode.
IGCT gate signal
The gate input signal of the IGCT.
383
VB.NET PDF File Merge Library: Merge, append PDF files in vb.net
VB.NET Guide and Sample Codes to Merge PDF Documents in VB.NET Project. Batch merge PDF documents in Visual Basic .NET class program.
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13
Component Reference
IGCT conductivity
Conduction state of the internal switch. The signal outputs 0 when the
IGCT is blocking, and 1 when it is conducting.
IGCT junction temperature
Temperature of the first thermal capacitor in the equivalent Cauer net-
work.
IGCT conduction loss
Continuous thermal conduction losses in watts (W). Only defined if the
component is placed on a heat sink.
IGCT switching loss
Instantaneous thermal switching losses in joules (J). Only defined if the
component is placed on a heat sink.
384
IGCT (Reverse Conducting)
IGCT (Reverse Conducting)
Purpose
Ideal IGCT with ideal anti-parallel diode
Library
Electrical / Power Semiconductors
Description
This model of an Integrated Gate Commutated Thyristor has an integrated
anti-parallel diode. The diode is usually included in power IGCT packages.
Parameters
Initial conductivity
Initial conduction state of the device. The device is initially blocking if the
parameter evaluates to zero, otherwise it is conducting. This parameter
may either be a scalar or a vector corresponding to the implicit width of
the component. The default value is
0
.
Thermal description
Switching losses, conduction losses and thermal equivalent circuit of the
component. For more information see chapters “Thermal Modeling” (on
page 103) and “Losses of Semiconductor Switch with Diode” (on page 124).
Initial temperature
Temperature of all thermal capacitors in the equivalent Cauer network at
simulation start. This parameter may either be a scalar or a vector corre-
sponding to the implicit width of the component.
Probe Signals
Device voltage
The voltage measured between anode and cathode. The device voltage can
never be negative.
Device current
The current through the device. The current is positive if it flows through
the IGCT from anode to cathode and negative if it flows through the diode
from cathode to anode.
Device gate signal
The gate input signal of the device.
Device conductivity
Conduction state of the internal switch. The signal outputs 0 when the
device is blocking, and 1 when it is conducting.
385
13
Component Reference
Device junction temperature
Temperature of the first thermal capacitor in the equivalent Cauer net-
work.
Device conduction loss
Continuous thermal conduction losses in watts (W). Only defined if the
component is placed on a heat sink.
Device switching loss
Instantaneous thermal switching losses in joules (J). Only defined if the
component is placed on a heat sink.
386
Induction Machine (Slip Ring)
Induction Machine (Slip Ring)
Purpose
Non-saturable induction machine with slip-ring rotor
Library
Electrical / Machines
Description
This model of a slip-ring induction machine can only be used with the continu-
ous state-space method. If you want to use the discrete state-space method or
if you need to take saturation into account, please use the Induction Machine
with Saturation (see page 397).
The machine model is based on a stationary reference frame (Clarke transfor-
mation). A sophisticated implementation of the Clarke transformation facil-
itates the connection of external inductances in series with the stator wind-
ings. However, external inductors cannot be connected to the rotor windings
due to the current sources in the model. In this case, external inductors must
be included in the leakage inductance of the rotor.
The machine operates as a motor or generator; if the mechanical torque has
the same sign as the rotational speed the machine is operating in motor mode,
otherwise in generator mode. All electrical variables and parameters are
viewed from the stator side. In the component icon, phase a of the stator and
rotor windings is marked with a dot.
In order to inspect the implementation, please select the component in your
circuit and choose Look under mask from the Subsystem submenu of the
Edit menu. If you want to make changes, you must first choose Break li-
brary link and then Unprotect, both from the same menu.
Electrical System
The rotor flux is computed as
 
r;d
=L
0
lr
i
0
r;d
+L
m
i
s;d
+i
0
r;d
 
r;q
=L
0
lr
i
0
r;q
+L
m
i
s;q
+i
0
r;q
The three-phase voltages v
s;ab
and v
s;bc
at the stator terminals are trans-
formed into dq quantities:
2
4
v
s;d
v
s;q
3
5
=
2
4
2
3
1
3
0
1
p
3
3
5
2
4
v
s;ab
v
s;bc
3
5
387
13
Component Reference
R
s
L
ls
L
m
L'
lr
-ω∙Ψ '
r,q
R'
r
+
v
s,d
+
v'
r,d
i
s,d
i'
r,d
d-axis
R
s
L
ls
L
m
L'
lr
R'
r
-ω∙Ψ '
r,d
+
v
s,q
+
v'
r,q
i
s,q
i'
r,q
q-axis
Likewise, the stator currents in the stationary reference frame are trans-
formed back into three-phase currents:
2
6
6
6
4
i
s;a
i
s;b
i
s;c
3
7
7
7
5
=
2
6
6
6
4
1
0
1
2
p
3
2
1
2
p
3
2
3
7
7
7
5
2
4
i
s;d
i
s;q
3
5
Similar equations apply to the voltages and currents at the rotor terminals
with  being the electrical rotor position:
2
4
v
0
r;d
v
0
r;q
3
5
=
2
3
2
4
cos  cos
 
2
3
sin  sin
 
2
3
3
5
2
4
v
0
r;ab
v
0
r;bc
3
5
2
6
6
6
4
i
0
r;a
i
0
r;b
i
0
r;c
3
7
7
7
5
=
2
6
6
6
4
cos
sin
cos
+
2
3
sin
+
2
3
cos
 
2
3
sin
 
2
3
3
7
7
7
5
2
4
i
0
r;d
i
0
r;q
3
5
Electro-Mechanical System
Electromagnetic torque:
388
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