《电力电子电机控制系统的建模及仿真第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子电机控制系统的建模及仿真第2章（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章电力电子器件驱动电路仿真电力电子器件驱动电路仿真 2 1 2 1 晶闸管门极驱动电路晶闸管门极驱动电路 晶闸管晶闸管工作条件工作条件 1 1 阳极与阴极之间加正向电压 阳极为正 阴极为负阳极与阴极之间加正向电压 阳极为正 阴极为负 2 2 门极与阴极之间加一定幅值的正向电压 门极为正门极与阴极之间加一定幅值的正向电压 门极为正 极为负 同时形成一定的门 极为负 同时形成一定的门 极电流 极电流 3 3 晶闸管一旦导通 门极则失去控制能力 因此在设计晶闸管一旦导通 门极则失去控制能力 因此在设计驱动电路时只考虑开通控制驱动电路时只考虑开通控制 即可 即可 2 1 12 1 1 光耦合触发电
2、路光耦合触发电路 1 建立仿真模型建立仿真模型建立触发单相半波可控整流器的光耦合电路 R1用来限制 晶闸管门极触发电流 二极管用来阻止反向电流通过门极 稳压管用来限制光电三 极管的工作电压 电路在晶闸管阳极承受正向电压时 光耦合器控制内部三极管导 通 从而形成晶闸管正向触发电流 在Saber仿真平台上菜单栏中点击出现Parts Gallery对话框 在库中逐级打开元件库 选取合适的元器件将其放置在仿真平台 上 如图2 1所示 图图2 2 1 1 选取仿真元器件选取仿真元器件 2 元器件参数设置元器件参数设置在进行电路仿真之前 需要合理设置电路中各元件的参数 各元 件属性设置如表2 2所示 这里
3、设置电源与脉冲电压源同频率 脉冲电压源有300的延时 参数中 时间单位为毫秒 这里用m来表示 参数中 时间单位为毫秒 这里用m来表示 元件名称属性名值 表表2 2 2 2 元件属性元件属性 电源amplitude 幅值 310 frequence 频率 50 脉冲电压源initial 初始值 0 pulse 脉冲值 15 tr 上升时间 1u tf 下降时间 1u delay 延迟 5m 3 width 脉冲宽度 3m period 周期 20m 电阻R1rnom 阻值 100 电阻R2rnom 阻值 100 电阻R3rnom 阻值 100k 电阻R4rnom 阻值 1k 连接完成的晶闸管光耦
4、合器触发电路如图2 2所示 图图2 2 2 2 晶闸管光耦合器触发电路晶闸管光耦合器触发电路图图2 2 2 2 晶闸管光耦合器触发电路晶闸管光耦合器触发电路 3 瞬态分析瞬态分析 对瞬态分析仿真器做如下设置 E d Ti1 单击OK执行瞬态分析 这里分别对门极触发脉冲End Time 1 Time Step 1u Run DC Analysis First Yes Plot After Analysis Yes Open Only 这里分别对门极触发脉冲 输入电压和晶闸管阳极与阴 极间电压进行观测 观测结 果如图2 3所示 y py Waveforms at Pins Across and T
5、hrough Variables 果如图所示 图图2 2 3 3晶闸管光耦合器触发电路仿真波形晶闸管光耦合器触发电路仿真波形 为了能够更清楚地观察仿真结果 需 要调整坐标的范围 在SaberScope中选 择Axis Attributes菜单开启Axis Attribute 调整坐标后仿真结果如图2 5所示 择Axis Attributes菜单开启Axis Attribute s对话框 用鼠标单击Axis栏旁向下的箭头 选择AxisX 0 在Range栏中的值改为0 4 在to栏中的值改为0 5 即示波器窗口只显在栏中的值改为 即示波器窗只 示0 4S 0 5S时间内的信号 其它参数为默 认设
6、置 如图2 4所示 图图2 2 5 5调整后晶闸管光耦合器触发电路仿真波形调整后晶闸管光耦合器触发电路仿真波形 图图2 2 4 4 坐标调整对话框坐标调整对话框 触发脉冲电流波形可以看出 此脉冲 为强触发脉冲 前沿陡且具有足够的宽度 适用于大功率场合图图2 2 4 4 坐标调整对话框坐标调整对话框适用于大功率场合 2 1 22 1 2 脉冲变压器触发电路脉冲变压器触发电路 脉冲变压器触发电路如图2 6所示 将脉冲变压器理想化 采用压控电压源来代 替 其输入电压与输出电压成正比例关系 比例系数可通过参数k来调节 vp vm 为输入端 正负引脚为输出端 图图2 2 6 6 晶闸管脉冲变压器触发电路
7、晶闸管脉冲变压器触发电路 进行电路仿真之前 需要合理设 置电路中各元件的参数 各元件属性 对瞬态分析仿真器做如下设置 End Time 1 Time Step 1u 置电路中各元件的参数 各元件属性 设置如表2 4所示 表表2 2 4 4 元件属性元件属性 Run DC Analysis First Yes Plot After Analysis Yes Open Only Waveforms at Pins Across and Through Variables 元件名称属性名值 正弦波电压源amplitude 幅值 310 frequence 频率 50 Variables 单击OK执行
8、瞬态分析 这里分别对门极 触发脉冲 输入电压和晶闸管阳极与阴极间电 压进行观测 观测结果如图2 7所示 直流电压源dc value 幅值 30 12 脉冲电压源initial 初始值 0 pulse 脉冲值 15 tr 上升时间 1u tf 下降时间 1u delay 延迟 5m 3 width 脉冲宽度 2mwidth 脉冲宽度 2m period 周期 20m 压控电压源k 增益 1 图图2 2 7 7晶闸管脉冲触发电路仿真波形晶闸管脉冲触发电路仿真波形 2 1 32 1 3 交流静态无触点电路交流静态无触点电路 在交流电路中 给晶闸管输入毫安级门极 控制信号 就可控制阳极大电流电路的通断
9、 桥式整流型静态无触点开关电路如图2 8所示 Plot After Analysis Yes Open Only Waveforms at Pins Across and Through Variables 单击OK执行瞬态分析 这里分别对门 极触发脉冲电流 输出电压和流过电阻的 电流进行观测 观测结果如图2 9所示 图图2 2 8 8 桥式整流型静态无触点开关电路桥式整流型静态无触点开关电路 这里的元件提取路径可参考之前的两种 电路 参数设置也与之前相同 瞬态分析仿 真器做如下设置 End Time 1 Time Step 1u 桥式整流型静态触点关电路仿真波形桥式整流型静态触点关电路仿真波
10、形 Time Step 1u Run DC Analysis First Yes 图图2 2 9 9桥式整流型静态无触点开关电路仿真波形桥式整流型静态无触点开关电路仿真波形 2 1 42 1 4 移相触发电路移相触发电路 设置R2阻值分别为10k和50k 对门 极触发脉冲电流输入电压和晶闸管阳极 图2 10为简单的移相触发电路 当电源为负半周时 通过VD2对电容 充电 由于时间常数很小 这时电容 电压U 近似等于电源电压波形当电 极触发脉冲电流 输入电压和晶闸管阳极 与阴极之间电压进行观测 观测结果如图 2 11 2 12所示 电压Uc近似等于电源电压波形 当电 源电压经过了负向峰值时 电容经
11、电 阻R1 R2放电 然后反向充电 当 Uc上升到一定值时 晶闸管触发导通 Uc上升到定值时 晶闸管触发导通 通过改变R2的阻值可实现移相控制 图图2 2 11 11 移相触发电路仿真波形移相触发电路仿真波形 R2 10k R2 10k 移相触发电路移相触发电路图图2 2 10 10 移相触发电路移相触发电路 图图2 2 12 12 移相触发电路仿真波形移相触发电路仿真波形 R2 50k R2 50k 2 2 2 2 MOSFET MOSFET 栅极驱动电路栅极驱动电路 MOSFET对驱动信号有几点要求 1 触发脉冲要有足够快的上升和下降速度 即脉冲前沿要求陡峭 2 为使MOSFET可靠触发及
12、导通 触发脉冲电压应高于阈值电压 同时不能超过最大触发额定电压 3 驱动电路输出电阻应较低开通时以低电阻对栅极电容充电关断时为栅极电荷提供低电阻放3 驱动电路输出电阻应较低 开通时以低电阻对栅极电容充电 关断时为栅极电荷提供低电阻放 电回路 2 2 12 2 1 单晶体管驱动电路单晶体管驱动电路 图2 13是用单晶体管直接 驱动MOSFET的电路原理图 图 中 V pulse 为 驱 动 信 号 源 p V pulse为高电平时三极管VT导 通 其发射极电流为MOSFET的 输入电容充电 建立栅控电场 使栅极电位迅速上升MOSFET使栅极电位迅速上升 MOSFET 开通 V pulse信号为低
13、电平时 三极管截止 MOSFET栅 源之 间储存的电荷经VD放电 使 MOSFET关断 由于三极管的放 大作用 使充电电流放大 加快 了电场的建立 提高了MOSFET 的导通速度的导通速度 图图2 2 13 13 单晶体管驱动电路单晶体管驱动电路 对瞬态分析仿真器做如下设置 End Time 1 Time Step 1u Time Step 1u Run DC Analysis First Yes Plot After Analysis Yes Open Only Waveforms at Pins Across and Through Variables 单击OK执行瞬态分析 这里分别对门极
14、触发脉冲和负载电压进行观测 结果如图2 14所示 图图2 2 14 14 单晶体管驱动电路仿真波形单晶体管驱动电路仿真波形 2 2 22 2 2 推挽式驱动电路推挽式驱动电路 图2 15为推挽式驱动电路 两个晶体管都使信号放大 提高了电路的工作速度 同时它 们是作为射极输出器工作的 不会出现饱和状态 因此信号传输无延迟 图图2 2 1515 推挽式驱动电路推挽式驱动电路图图2 2 1616推挽式驱动电路仿真波形推挽式驱动电路仿真波形图图2 2 1515 推挽式驱动电路推挽式驱动电路 这里元件的提取路径及参数设置与单晶体管驱动电路完全相同 瞬态分析仿真器设置 也与之前相同 执行瞬态分析 对门极触
15、发脉冲和负载电压进行观测 结果如图2 16所示 图图2 2 1616推挽式驱动电路仿真波形推挽式驱动电路仿真波形 也与之前相同 执行瞬态分析 对门极触发脉冲和负载电压进行观测 结果如图所示 2 2 32 2 3 隔离式驱动电路隔离式驱动电路 在有些场合 需要在驱动 电路和主电路之间实行电气隔 离隔离的方法多采用脉冲变离 隔离的方法多采用脉冲变 压器实现磁耦合或通过光电器 件实现光电耦合 图2 17为一 种简单的磁耦合驱动电路 晶 体管导通时脉冲变压器的初体管VT导通时脉冲变压器的初 级线圈中电流上升 使得次级 感应出上正下负的电压 该电 压通过二极管VD1为MOSFET的 图图2 2 1717
16、脉冲变压器驱动电路脉冲变压器驱动电路 压通过二极管VD1为MOSFET的 输入电容充电 使MOSFET导通 VT 关断时脉冲变压器无感应电 压输出 使MOSFET的栅 源 极 之 间 的 电 压 由 正 变 零极 之 间 的 电 压 由 正 变 零 MOSFET关断 这里同样将脉冲变压器理 想化 采用压控电压源来代替 想化 采用压控电压源来代替 执行瞬态分析 对门极触发脉 冲和负载电压进行观测 结果 如图2 18所示 图图2 2 1818脉冲变压器驱动电路仿真波形脉冲变压器驱动电路仿真波形 2 3 2 3 IGBT IGBT 栅极驱动电路栅极驱动电路 IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件 它既有MOSFET易驱动的特点 又具有功 率晶体管电压 电流 容量大等优点 其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间 可正 常工作于几十kHz频率范围内 故在较高频率的中 大功率应用中占据了主导地位 常作十频率围 故较频率中大功率应用中占据位 2 3 12 3 1 IGBTIGBT栅极栅极特性特性 在正常状态下IGBT开通越快损耗越小但在开通过程中如有续流二极管的反向恢在正常状态下IGBT开
