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1、第5章 电力电子电路仿真分析,5.1 电力电子开关模块 5.2 桥式电路模块 5.3 驱动电路模块 习题,5.1 电力电子开关模块 SIMULINK的SimPowerSystems库提供了常用的电力电子开关模块，各种整流、逆变电路模块以及时序逻辑驱动模块。SIMULINK库中的各种信号源可以直接驱动这些开关单元和模块，因此使用这些元件组建电力电子电路并进行计算机数值仿真很方便。为了真实再现实际电路的物理状态，MATLAB对几种常用电力电子开关元件的开关特性分别进行了建模，这些开关模型采用统一结构来表示，如图5-1所示。,图5-1 电力电子开关模块,图5-1中，开关元件主要由理想开关SW、电阻R
2、on、电感Lon、直流电压源Vf组成的串联电路和开关逻辑单元来描述。电力电子元件开关特性的区别在于开关逻辑和串联电路参数的不同，其中开关逻辑决定了各种器件的开关特征；模块的串联电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的电压降；串联电感Lon限制了器件开关过程中的电流升降速度，同时对器件导通或关断时的变化过程进行模拟。,由于电力电子器件在使用时一般都并联有缓冲电路，因此MATLAB电力电子开关模块中也并联了简单的RC串联缓冲电路，缓冲电路的阻值和电容值可以在参数对话框中设置，更复杂的缓冲电路则需要另外建立。有的器件(如MOSFET)模块内部还集成了寄生二极管，在使用中
3、需要加以注意。,由于MATLAB的电力电子开关模块中含有电感，因此有电流源的性质，在没有连接缓冲电路时不能直接与电感或电流源连接，也不能开路工作。含电力电子模块的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s，这样可以得到较快的仿真速度。如果需要离散化电路，必须将电感值设为0。 电力电子开关模块一般都带有一个测量输出端m，通过它可以输出器件上的电压和电流值，不仅观测方便，而且可以为选择器件的耐压性能和电流提供依据。,5.1.1 二极管模块 1. 原理与图标 图5-2所示为二极管模块的电路符号和静态伏安特性。当二极管正向电压Vak大于门槛电压Vf时，二极管导通；当
4、二极管两端加以反向电压或流过管子的电流降到0时，二极管关断。,图5-2 功率二极管模块的电路符号和静态伏安特性 (a) 电路符号；(b) 静态伏安特性,SimPowerSystems库提供的二极管模块图标如图5-3所示。,图5-3 二极管模块图标,2. 外部接口 二极管模块有2个电气接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于二极管的阳极和阴极。输出接口(m)输出二极管的电流和电压测量值Iak，Vak，其中电流单位为A，电压单位为V。 3. 参数设置 双击二极管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-4所示。在该对话框中含有如下参数： (1) “导通电阻”(Resistance Ron)
5、文本框：单位为，当电感值为0时，电阻值不能为0。 (2) “电感”(Inductance Lon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。,图5-4 二极管模块参数对话框,(3) “正向电压”(Forward voltage Vf)文本框：单位为V，当二极管正向电压大于Vf后，二极管导通。 (4) “初始电流”(Initial current Ic)文本框：单位为A，设置仿真开始时的初始电流值。通常将初始电流值设为0，表示仿真开始时二极管为关断状态。设置初始电流值大于0，表示仿真开始时二极管为导通状态。如果初始电流值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对电力电子变换器中的
6、所有状态变量设置初始值是很麻烦的事情，所以该选项只适用于简单电路。,(5) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。 (6) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。 (7) “测量输出端”(Show measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出接口m，可以观测二极管的电流和电压值。,【例5.1】如图5-5所示，构建简单的
7、二极管整流电路，观测整流效果。其中电压源频率为50 Hz，幅值为100 V，电阻R为1 ，二极管模块采用默认参数。 解：(1) 按图5-5搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-1。,图5-5 例5.1的仿真电路图,表5-1 例5.1仿真电路模块的名称及提取路径,(2) 设置参数和仿真参数。二极管模块采用图5-4所示的默认参数。交流电压源Vs的频率等于50 Hz、幅值等于100 V。串联RLC支路为纯电阻电路，其中R = 1 。 打开菜单SimulationConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.2 s。 (3) 仿真及
8、结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到二极管D1和电阻R上的电流电压如图5-6所示。图中波形从上向下依次为二极管电流、二极管电压、电阻电流、电阻电压。,图5-6 例5.1的仿真波形图,5.1.2 晶闸管模块 1. 原理与图标 晶闸管是一种由门极信号触发导通的半导体器件，图5-7所示为晶闸管模块的电路符号和静态伏安特性。当晶闸管承受正向电压(Vak0)且门极有正的触发脉冲(g0)时，晶闸管导通。触发脉冲必须足够宽，才能使阳极电流Iak大于设定的晶闸管擎住电流I1，否则晶闸管仍要转向关断。导通的晶闸管在阳极电流下降到0(Iak=0)或者承受反向电压时关断，同样晶闸管承受反向电压的时间应大
9、于设置的关断时间，否则，尽管门极信号为0，晶闸管也可能导通。这是因为关断时间是表示晶闸管内载流子复合的时间，是晶闸管阳极电流降到0到晶闸管能重新施加正向电压而不会误导通的时间。,图5-7 晶闸管模块的电路符号和静态伏安特性 (a) 电路符号；(b) 静态伏安特性,(a),(b),SimPowerSystems库提供的晶闸管模块一共有两种：一种是详细的模块(Detailed Thyristor)，需要设置的参数较多；另一种是简化的模块(Thyristor)，参数设置较简单。晶闸管模块的图标如图5-8。,图5-8 晶闸管模块图标 (a) 详细模块；(b) 简化模块,2. 外部接口 晶闸管模块有2个
10、电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于晶闸管的阳极和阴极。输入接口(g)为门极逻辑信号。输出接口(m)输出晶闸管的电流和电压测量值Iak，Vak，其中电流单位为A，电压单位为V。 3. 参数设置 双击晶闸管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-9所示。在该对话框中含有如下参数(以详细模块为例)： (1) “导通电阻”(Resistance Ron)文本框：单位为，当电感值为0时，电阻值不能为0。,图5-9 晶闸管模块参数对话框,(2) “电感”(Inductance Lon)文本框：单位为H，当电阻值为0时，电感值不能为0。 (3) “正向电压”(Forward
11、 voltage Vf)文本框：晶闸管的门槛电压Vf，单位为V。 (4) “擎住电流”(Latching current I1)文本框：单位为A，简单模块没有该项。 (5) “关断时间”(Turn-off time Tq)文本框：单位为s，它包括阳极电流下降到0的时间和晶闸管正向阻断的时间。简单模块没有该项。,(6) “初始电流”(Initial current Ic)文本框：单位为A，当电感值大于0时，可以设置仿真开始时晶闸管的初始电流值，通常设为0表示仿真开始时晶闸管为关断状态。如果电流初始值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦
12、的事情，所以该选项只适用于简单电路。,(7) “缓冲电路阻值”(Snubber resistance Rs)文本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为。缓冲电阻值设为inf时将取消缓冲电阻。 (8) “缓冲电路电容值”(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。 (9) “测量输出端”(Show measurement port)复选框：选中该复选框，出现测量输出端口m，可以观测晶闸管的电流和电压值。 【例5.2】如图5-10所示，构建单相桥式可控整流电路，观测整流效果
13、。晶闸管模块采用默认参数。,图5-10 例5.2的仿真电路图,解：(1) 按图5-10搭建仿真电路模型，选用的各模块的名称及提取路径见表5-2。,表5-2 例5.2仿真电路模块的名称及提取路径,(2) 设置模块参数和仿真参数。晶闸管的触发脉冲通过简单的“脉冲发生器”(Pulse Generator)模块产生，脉冲发生器的脉冲周期取为2倍的系统频率，即100 Hz。晶闸管的控制角a 以脉冲的延迟时间t来表示，取a = 30，对应的时间t = 0.02 30/360 = 0.01/6 s。脉冲宽度用脉冲周期的百分比表示，默认值为50%。双击脉冲发生器模块，按图5-11设置参数。晶闸管模块采用图5-
14、9所示的默认设置。交流电压源Vs的频率等于50 Hz、幅值等于100 V。串联RLC支路为纯电阻电路，其中R = 1 。,图5-11 例5.2的脉冲发生器模块参数设置,打开菜单SimulationConfiguration Parameters，选择ode23tb算法，同时设置仿真结束时间为0.2 s。 (3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器模块，得到晶闸管TH1和电阻R上的电流、电压如图5-12所示。图中波形从上向下依次为晶闸管电流、晶闸管电压、电阻电流、电阻电压和脉冲信号。,图5-12 例5.2的仿真波形图,5.1.3 可关断晶闸管模块 1. 原理与图标 可关断晶闸管(GTO
15、)是通过门极信号触发导通和关断的半导体器件。与普通晶闸管一样，GTO可被正的门极信号(g0)触发导通。与普通晶闸管的区别是，普通的晶闸管导通后，只有等到阳极电流过0时才能关断，而GTO可以在任何时刻通过施加等于0或负的门极信号实现关断。图5-13(a)所示为GTO模块的电路符号。,图5-13 可关断晶闸管模块的电路符号和开关特性 (a) 电路符号；(b) 开关特性,SIMULINK提供的GTO模块在端口电压大于门槛电压Vf且门极信号大于0(g0)时导通，在门极信号等于0或负(g0)时关断。但它的电流并不立即衰减为0，因为GTO的电流衰减过程需要时间。GTO的电流衰减过程对晶闸管的关断损耗有很大
16、影响，所以在模块中考虑了关断特性。电流衰减过程被近似分为两段：当门极信号变为0后，电流从Imax下降到0.1Imax所用的下降时间Tf；从0.1Imax降到0的拖尾时间Tt。当电流Iak降为0时，GTO彻底关断。电流的下降时间和拖尾时间可以在参数对话框中设置。GTO模块的开关特性如图5-13(b)所示。 SimPowerSystems库提供的GTO模块图标如图5-14所示。,图5-14 可关断晶闸管模块的图标,2. 外部接口 GTO模块有2个电气接口、1个输入接口和1个输出接口。2个电气接口(a，k)分别对应于可关断晶闸管的阳极和阴极。输入接口(g)为门极输入信号。输出接口(m)输出GTO的电流和电压测量值Iak，Vak，其中电流单位为A，电压单位为V。 3. 参数设置 双击GTO模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-15所示。该对话框中含有如下参数：,图5-15 可关断晶闸管模块参数对话框,(1) “导通电
