電力電子器件特性仿真分析

1、機械與電氣工程學(xué)院2012級電氣工程及其自動化專業(yè)課程設(shè)計報告電子課程設(shè)計報告題 目： 電力電子器件特性仿真分析 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 年 級： 專 業(yè)： 班 級： 指導(dǎo)教師： 機械與電氣工程學(xué)院制2015年5月目錄1 緒論32 課程設(shè)計的任務(wù)與要求33 常見電力電子器件介紹33.1電力電子器件的分類33.2 常見不可控器件介紹43.2.1二極管 43.3 常見半控型器件介紹53.3.1晶閘管53.4 常見全控型器件介紹73.4.1門極可關(guān)斷晶閘管73.4.2電力場效應(yīng)晶體管93.4.3絕緣柵雙極型晶體管103.4.4電力晶體管124仿真軟件介紹134.1簡介134.2特點135仿真電路模型

2、與特性分析145.1不可控器件特性仿真分析145.1.1二極管特性測試模型145.1.2仿真結(jié)果與分析145.2半控型器件特性仿真分析155.2.1晶閘管特性測試模型155.2.2仿真結(jié)果與分析155.3全控型器件特性仿真分析165.3.1門極可關(guān)斷晶閘管特性測試模型165.3.1.1仿真結(jié)果與分析165.3.2電力場效應(yīng)晶體管特性測試模型185.3.2.1仿真結(jié)果與分析185.3.3絕緣柵雙極型晶體管特性測試模型195.3.3.1仿真結(jié)果與分析195.3.4全控型器件特性對比分析206總結(jié)及體會20電力電子器件特性仿真分析學(xué)生： 指導(dǎo)教師：機械與電氣工程學(xué)院 電氣工程及其自動化專業(yè)1 緒論由

3、于新電力電子器件的不斷產(chǎn)生,儀器儀表自動化程度的提高,對系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高, 因此,在電力系統(tǒng)中有必要掌握新電力電子器件的性能和應(yīng)用方法【1】。電力電子器件是電力電子技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)，電力電子設(shè)備的工作狀況是通過控制電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)來實現(xiàn)的。根據(jù)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的可控性，可將電力電子器件分為不可控器件、半控型器件和全控型器件。不可控器件沒有控制極，其導(dǎo)通與關(guān)斷完全由外部電路決定；半控型器件和全控型器件有控制極，對于半控型器件而言，通過對控制極施加導(dǎo)通控制信號能使器件導(dǎo)通，但器件導(dǎo)通后即不再受控制極控制，其關(guān)斷由外部主回路決定；而全控型器件的導(dǎo)通和關(guān)斷則都能通過對控制極施加開通和關(guān)

4、斷信號來實現(xiàn)【2】。而本次的課程設(shè)計則是通過仿真軟件的仿真分析對電力電子器件的特性有所了解。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求（1）熟悉matlab/simulink的仿真模塊用法及其功能；（2）掌握并了解各電力電子器件的基本工作特性；（3） 設(shè)計二極管、晶閘管、GTO、MOSFET、IGBT特性測試電路仿真模型，運用MATLAB實現(xiàn)仿真；（4）掌握基本電路的數(shù)據(jù)分析、處理，描繪波形并加以分析判斷。3 常見電力電子器件介紹3.1電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：（1）不可控器件它不能用控制信號來控制其通斷, 器件的導(dǎo)通與關(guān)斷完全由自身在電路中承受的電壓和電流來決定，因此也就不需要

5、驅(qū)動電路。這類器件主要指二極管。（2）半控型器件指通過控制信號能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。這類器件主要是指晶閘管，它由普通晶閘管及其派生器件組成。（3）全控型器件指通過控制信號既可以可控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件。這類器件的品種很多，目前常用的有門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：（1）電流驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。（2）電壓驅(qū)動型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照內(nèi)

6、部導(dǎo)電機理，分為三類：（1）單極型器件內(nèi)部只有一種帶電粒子參與導(dǎo)電。（2）雙極型器件內(nèi)有電子和空穴兩種帶電粒子參與導(dǎo)電。（3）復(fù)合型由雙極型器件與單極型器件復(fù)合而成的新器件。而本次的課程設(shè)計我們則是按照控制程度的分類來介紹、仿真并分析。3.2 常見不可控器件介紹3.2.1二極管 類型：雙極型、不可控器件。二極管的基本特征：單向?qū)щ娦?。二極管的主要類型：普通二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管。二極管是不可控的單向?qū)щ娦投税雽?dǎo)體器件，二極管模塊的圖標(biāo)和仿真模型如圖1和圖2所示。模型二極管的單向?qū)щ娦阅苡啥O管邏輯控制，當(dāng)二極管承受正向電壓時( Vak>O)，二極管導(dǎo)通，當(dāng)二極管電流下降到零

7、(Iak=O)或承受反向電壓時(VakO)，二極管關(guān)斷。二極管的伏安特性如圖3所示。圖1二極管圖標(biāo) 圖2二極管模型 圖3二極管伏安特性在二極管參數(shù)設(shè)置中，當(dāng)電感參數(shù)為“0”時電阻不能同時取“0”，當(dāng)電阻參數(shù)取“0”時電感參數(shù)也不能同時取“0”。在設(shè)置了門檻電壓Vf時，只有當(dāng)二極管正向電壓大于Vf后，二極管才能導(dǎo)通。在參數(shù)對話框還有初始電流一欄，設(shè)置初始電流可以使電路在非零狀態(tài)下開始仿真，但是初始電流設(shè)置是有條件的，首先是在二極管電感參數(shù)大于0時才能設(shè)定這項參數(shù)，其次是仿真電路的其他儲能元件也設(shè)定了初始值，尤其設(shè)定所有其他相關(guān)儲能元件的初始值是很麻煩的，所以一般都取初始電流為“O”，使電路在零狀

8、態(tài)下開始仿真。模型二極管已并聯(lián)有RC緩沖電路，在緩沖電阻值設(shè)為“inf”，緩沖電容設(shè)為“O”時，則二極管取消了緩沖電路部分。如果在緩沖電阻不為“O”時，設(shè)緩沖電容為“inf”，則是純電阻的緩沖電路。MATLAB的二極管沒有普通二極管、電力二極管、快恢復(fù)二極管等等的區(qū)分，統(tǒng)一為一個模型，不同二極管只能在參數(shù)設(shè)置上略有反應(yīng)。1.靜態(tài)特性（電力二極管伏安特性圖）主要指其伏安特性當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電

9、流。2. 動態(tài)特性因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。3. 開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。4. 關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。3.3 常見半控型器件介紹3.3.1晶閘管類型：雙極型、電流控制、半控型器件。晶閘管的工作特性：承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。晶閘管的派生器件：快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管。晶閘管(Thyristor)俗稱硅晶體閘流管。晶閘管通常

10、有普通晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管和快速晶閘管等。普通晶閘管也叫可控硅，用SCR表示，國際通用名稱為Thyristor簡稱T。晶閘管是可控整流電路常用的器件，在模型庫中晶閘管模型有兩種（見圖4），一種是較詳細(xì)的模型，其模型名為Detailed Thyristor，它的可設(shè)置參數(shù)較多；另一種是簡化的模型，模型名為Thyristor，它的參數(shù)設(shè)置較簡單。晶閘管的模型結(jié)構(gòu)和伏安特性分別如圖5和圖6所示。圖4 晶閘管圖標(biāo) 圖5 晶閘管模型 圖6 晶閘管伏安特性晶閘管內(nèi)部是一種四層（P、N、P、N）結(jié)構(gòu)，對外呈三端（A、G、K）大功率半導(dǎo)體器件，它有三個PN結(jié)：J1、J2、J3。其外形有

11、平板形和螺栓形。三個引出端分別叫做陽極A、陰極K和門極G，門極也叫控制級。由晶閘管的結(jié)構(gòu)可知，晶閘管是一種四層三端器件，有J1、J2、J3三個PN結(jié).當(dāng)把中間的N1和P2分為兩部分，則可構(gòu)成一個NPN型晶體管和一個PNP型晶體管的復(fù)合管，晶閘管的三個PN結(jié)可等效看成由兩個晶體管V1(P1-N1-P2)與V2(N1-P2-N2)組成。晶閘管模型在晶閘管承受正向電壓(Vak>O)，且門極有正的觸發(fā)脈沖信號(g>O)時晶閘管導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖的寬度要使陽極電流Iak能大于設(shè)定的晶閘管擎住電流I1，晶閘管才能正常導(dǎo)通，否則在導(dǎo)通過程中，如果在陽極電流還小于擎住電流時，門極信號已經(jīng)為零(g=O)

12、，則晶閘管仍要轉(zhuǎn)向關(guān)斷。 導(dǎo)通的晶閘管在陽極電流下降到零(Iak =O)，或者晶閘管承受反向電壓時，晶閘管關(guān)斷，但是晶閘管承受反向電壓的時間應(yīng)大于設(shè)置的關(guān)斷時間Tq，否則盡管門極信號為零，晶閘管還可能導(dǎo)通，因為關(guān)斷時間是表示晶閘管內(nèi)載流子復(fù)合的時間，是晶閘管陽極電流減少為零后到晶閘管能再次施加正向電壓而不會誤導(dǎo)通的一段時間間隔。晶閘管模型的導(dǎo)通和關(guān)斷與實際的物理晶閘管有差別，一是只要門極信號大于零，同時滿足正向電壓條件，晶閘管就能導(dǎo)通；二是陽極電流下降到零(lak =O)后，晶閘管才能關(guān)斷，而不是陽極電流下降到維持電流以下晶閘管就關(guān)斷。晶閘管的簡單模型沒有擎住電流和關(guān)斷時間這兩項參數(shù)，因此在較

13、復(fù)雜的電路仿真中使用較為方便。關(guān)于初始電流、緩沖電阻和緩沖電容的設(shè)置要求與二極管相同【3】。圖7 晶閘管的伏安特性 圖8 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形額定電壓：取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。通態(tài)平均電流 IT(AV）：在環(huán)境溫度為40°C 和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。維持電流 IH ：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流 IL ：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。浪涌電流ITSM：指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過

14、額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。3.4 常見全控型器件介紹3.4.1門極可關(guān)斷晶閘管類型：雙極型、電流控制、全控型器件。門極可關(guān)斷晶閘管的工作特性：導(dǎo)通條件與晶閘管一樣。不同之處在于可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷?？申P(guān)斷晶閘管( GTO)與普通晶閘管的區(qū)別是可以通過門極信號在任何時間使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，其圖標(biāo)如圖9所示。為PN PN四層結(jié)構(gòu)的器件,具有普通晶閘管的全部優(yōu)點,同時又具有關(guān)斷能力。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是晶閘管的一種派生器件。從結(jié)構(gòu)上看通常它有三個極：陽極（A）、陰極（K）和門極（G）。門

15、極可關(guān)斷晶閘管通斷方便，是一種大功率無觸點開關(guān)，它是逆變電路中的主要開關(guān)元件，廣泛用在中小容量變頻器中。但由于受到反向關(guān)斷及工作頻率的限制，門極可關(guān)斷晶閘管正被新型的大功率晶體管GTR所取代，但是在大容量變頻器，GTO以其工作電流大，耐壓高的特性，仍得到普遍應(yīng)用。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。但是MATLAB的可關(guān)斷晶閘管模型，在導(dǎo)通和關(guān)斷的控制要求上與實際的可關(guān)斷晶閘管有較大不同，可關(guān)斷晶閘管模型在管子承受正向電壓，且門極信號大于零(g>O)時導(dǎo)通，在門極信號等于零(g=O)時關(guān)斷。實際的物理可關(guān)斷晶閘管在一旦導(dǎo)通后門極信號可

16、以為零，管子仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，而關(guān)斷時需要在門極有足夠的反抽電流才能關(guān)斷。模型的關(guān)斷過程分為兩段，一段是下降時間Tf，一段是電流的拖尾時間Tt。在電流的下降時間內(nèi)，電流減小到關(guān)斷時電流的10%，再經(jīng)過一段拖尾時間，電流才下降為零，電流的下降時間和拖尾時間可以在參數(shù)中設(shè)置?？申P(guān)斷晶閘管的模型和開關(guān)特性分別如圖10和圖11所示可關(guān)斷晶閘管模型也已經(jīng)并聯(lián)了RC緩沖電路，緩沖電路的設(shè)置與二極管模型相同。圖9 GTO圖標(biāo) 圖10 GTO模型 圖11 GTO開關(guān)特性與普通晶閘管一樣，可以用下圖所示的雙晶體管模型來分析。圖12 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、

17、V2分別具有共基極電流增益1和2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。1.導(dǎo)通條件在門極和陰極之間加一正向電壓，即：G（）、K（），GTO導(dǎo)通。2.關(guān)斷條件可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，在門極和陰極之間加一反向電壓， G（）、K（），GTO關(guān)斷。最大可關(guān)斷陽極電流IATO：GTO的額定電流。電流關(guān)斷增益off：最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益（off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點）。3.4.2電力場效應(yīng)晶體管類型：單極型、電壓控制型器件、全控型器件。電力場效應(yīng)晶體管的工作特性：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零時截止，柵源極間加正電壓時導(dǎo)

18、通。電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)具有開關(guān)頻率高、導(dǎo)通壓降小等特點，在電力電子電路中使用廣泛。MOSFET的靜態(tài)特性與GTR相似,其動態(tài)特性與GTR也相似,但它不存在存儲電荷問題,而有極間電容放電問題。場效應(yīng)晶體管一般有結(jié)型和絕緣柵型兩種，MATLAB的場效應(yīng)晶體管模型并不區(qū)分這兩種模型，也沒有P溝道和N溝道之分，它僅僅反映了場效應(yīng)晶體管的開關(guān)特性，是場效應(yīng)晶體管通用的宏模型。電力場效應(yīng)晶體管模型的圖標(biāo)如圖13所示，結(jié)構(gòu)和外特性如圖14和圖15所示。圖13 MOSFET圖標(biāo) 圖14 MOSFET模型 圖15 MOSFET外特性場效應(yīng)晶體管模型在門極信號為正(g>0)，且漏極電流ID &

19、gt;O時導(dǎo)通，在門極信號為零時關(guān)斷。場效應(yīng)晶體管模型上反并聯(lián)了一個二極管，因此在外特性上，正向?qū)顟B(tài)的導(dǎo)通電阻是Ron，而外特性中的反向?qū)ㄊ嵌O管導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻是二極管的電阻Rd。參數(shù)中的緩沖電阻和緩沖電容的參數(shù)設(shè)置與二極管相同。圖16 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性 圖17 電力MOSFET的輸出特性漏極電壓UDS:電力MOSFET的電壓定額。漏極直流電流ID：電力MOSFET的電流定額。開啟電壓UT：使器件開通所需加在柵源間的最小電壓。柵源電壓UGS：|UGS|>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。3.4.3絕緣柵雙極型晶體管類型：復(fù)合型、電壓控制型器件、全控型器件。絕緣柵雙極晶體管的工作特性

20、：驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓UGE決定。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)結(jié)合了場效應(yīng)晶體管和電力晶體管的優(yōu)點，具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、通流能力強的特點，目前已經(jīng)成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。IGBT的模塊有兩個：一個是并聯(lián)緩沖電阻和電容的模型（見圖18a），一個是反并聯(lián)二極管的模型(見圖18b)。絕緣柵雙極型晶體管模型和外特性如圖19和圖20所示。圖18 IGBT圖標(biāo) 圖19 IGBT模型 圖20 IGBT外特性IGBT模型在集射極間電壓為正(Vce>O)，且有門極信號(g>O)時導(dǎo)通；即使集射極間電壓為正( Vce >O)，但是門

21、極信號為零(g=O)，IGBT也要關(guān)斷。如果IGBT集射極間電壓為負(fù)( Vce <O)，則管子處在關(guān)斷狀態(tài)。IGBT/Diode模型與一般商品IGBT一樣，內(nèi)部已并聯(lián)了反向二極管，所以在IGBT集射極間電壓為負(fù)時也反向?qū)āGBT模型的開關(guān)特性如圖21所示。IGBT在關(guān)斷時，有電流下降和電流拖尾兩端時間，在下降時間內(nèi)，電流減小到關(guān)斷前的10%，再經(jīng)過一段電流的拖尾時間，IGBT才完全關(guān)斷。IGBT的電流下降時間和拖尾時間可以在參數(shù)對話框中設(shè)置。圖21 IGBT模型的開關(guān)特性連接了RC緩沖電路的IGBT模型，緩沖電阻和電容的設(shè)置與其他器件相同。圖22 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性最大集射

22、極間電壓UCES：由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。最大集電極電流：包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。IGBT的擎住效應(yīng)：IGBT內(nèi)部還存在一個寄生晶閘管，當(dāng)集電極電流大到一定程度，會造成寄生晶閘管開通，導(dǎo)致柵極失去控制作用，這就是擎住效應(yīng)。3.4.4電力晶體管類型：雙極型、電流控制、全控型器件。電力晶體管的工作特性：與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的，但工作在開關(guān)狀態(tài)。GTR 的二次擊穿現(xiàn)象：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。GTR靜態(tài)特性的阻斷區(qū)僅有極小的反向漏電流存在,而承受全部高電壓,類似于開關(guān)處于斷開

23、狀態(tài),在飽和區(qū),即非線性區(qū)電流增益和導(dǎo)通電壓都很小,類似于開關(guān)處于接通態(tài)。工作在開關(guān)狀態(tài)的器件應(yīng)盡量避免工作于線性區(qū),否則功耗將會很大。GTR的動態(tài)特性與普通晶體管相似,當(dāng)給GTR加以階躍正基極電流后,先延時一段時間,然后集電極電流逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值。GTR的安全工作區(qū)是由集電極耐壓、最大允許電流、最大允許功耗和二次擊穿耐量所決定的一個區(qū)域。電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）是一種大功率晶體管，又叫雙極型晶體管（BJT），GTR在結(jié)構(gòu)上常用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)形式，是由多個晶體管復(fù)合組成的大功率晶體管，通過與反相續(xù)流二極管并聯(lián)組成一個模塊，GTR也具有三個極，分別是基極

24、（B）、發(fā)射極（E）、集電極（C）。GTR如同普通的晶體管一樣，也有三種工作狀態(tài)，即放大、飽和及截止?fàn)顟B(tài)，在大功率可控電路中，GTR主要工作在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。由于GTR工作在大功率電路中，因此管子的功耗是一個不容忽視的問題，GTR在截止和飽和狀態(tài)時其功耗是很小的，但是在放大狀態(tài)其功耗將增大百倍，因此，逆變電路的GTR在交替切換的過程中是不允許在放大區(qū)稍做停留的。GTR具有自關(guān)斷能力及開關(guān)時間短、飽和壓降低、安全工作區(qū)寬等特點，廣泛用于交流調(diào)速、變頻電源中。在中小容量的變頻器中，曾一度占據(jù)了主導(dǎo)地位。圖23 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動4仿真軟件介紹4.1簡介SMATLAB的

25、SIMULINK是很有特色的仿真環(huán)境，在此環(huán)境中，用戶可以用點擊、拖拉鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對系統(tǒng)和電路的仿真。早期MATLAB的仿真編程是在文本窗口進(jìn)行的，編制的程序是一行行命令和MATLAB函數(shù)，不直觀，也難于和實際的物理系統(tǒng)或電路建立形象的聯(lián)系。在SIMULINK環(huán)境中，系統(tǒng)的函數(shù)和電路元器件的模型都用方框圖形的模塊表達(dá)，模塊之間的連線則表示了信號流動的方向。對用戶來說，只要學(xué)習(xí)圖形界面的使用方法和熟悉模型庫的內(nèi)容，就可以很方便地使用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行系統(tǒng)和電路的仿真，而不必去記那些復(fù)雜的函數(shù)【4】。4.2特點SIMULINK作為面向系統(tǒng)框圖的仿真平臺，它具有如下特點： 1)

26、以調(diào)用模塊代替程序的編寫，以模塊連成的方框圖表示系統(tǒng)，點擊模塊即可以輸入模塊參數(shù)。以框圖表示的系統(tǒng)應(yīng)包括輸入（激勵源）、輸出（觀測儀器）和組成系統(tǒng)模塊。 2)系統(tǒng)方框圖畫完，設(shè)置了仿真參數(shù)，即可啟動仿真，這時會自動地完成仿真系統(tǒng)的初始化過程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)方程，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計算系統(tǒng)在給定激勵下的響應(yīng)。 3)系統(tǒng)運行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過波形和曲線觀察，這與在實驗室中用示波器觀察的效果幾乎一致。 4)系統(tǒng)仿真的數(shù)據(jù)可以用.mat為后級的文件保存，并且可以用其他數(shù)據(jù)處理軟件處理。 5)如果系統(tǒng)方框圖繪制不完整或仿真過程中出現(xiàn)計算不收斂的情況，會給出一定的出錯提示信息，但是這些提

27、示不一定準(zhǔn)確，這是軟件還不夠完備的地方。 6)以框圖形式仿真控制系統(tǒng)是SIMULINK的最早功能，后來在SIMULINK的基礎(chǔ)上又開發(fā)了數(shù)字信號處理、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、模糊控制等數(shù)10種模型庫，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平臺，在這個平臺上可以進(jìn)行控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等各種系統(tǒng)仿真。本次的電力電子技術(shù)課程設(shè)計我們就是采用仿真軟件Simulink來對一些電力電子器件的特性進(jìn)行仿真分析！5仿真電路模型與特性分析5.1不可控器件特性仿真分析5.1.1二極管特性測試模型二極管特性測試模型如圖24所示，圖中電源電壓為設(shè)置為100V，頻率50HZ,電阻值為1，脈沖發(fā)生器周期為

28、T=0.02ms。圖24 二極管特性測試仿真電路【8】5.1.2仿真結(jié)果與分析調(diào)整二極管各項參數(shù)，運行圖24所示程序，得到圖25所示的運行結(jié)果。圖25中第一個波形是交流電壓源產(chǎn)生的電壓，從圖中可以看到它是一個正弦交流電壓。第二個波形是負(fù)載電阻R兩端的電壓，由圖25可以看出當(dāng)交流電壓源給電路提供正向交流電壓時（即二極管上加正向電壓時），負(fù)載R兩端電壓等于交流電壓源的電壓（負(fù)載電阻阻值為1），說明此時二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)交流電壓源由正變負(fù)（即二極管上加反向電壓時），負(fù)載R兩端的電壓等于0，說明此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。第三個波形圖是通過二極管的電流波形，從圖中可看出：當(dāng)交流電壓源給電路提供正向交流

29、電壓時（即二極管上加正向電壓時），通過二極管的電流等于電路中的電流，說明此時二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)電壓源反向時（即二極管上加反向電壓時），流過二極管的電流為零，說明此時二極管不導(dǎo)通電路中沒有電流流過【5】。以上分析得出二極管的基本特性：單向?qū)щ娦约闯惺苷螂妷簞t開通，承受反向電壓則關(guān)斷。圖25 二極管特性測試仿真結(jié)果5.2半控型器件特性仿真分析5.2.1晶閘管特性測試模型設(shè)置交流電源電壓峰值為100V，頻率為50HZ，電阻值為1，脈沖發(fā)生器周期為T=0.02ms，設(shè)計晶閘管特性測試模型如圖26所示。5.2.2仿真結(jié)果與分析調(diào)整晶閘管各項參數(shù)，運行圖26所示程序，得到圖27所示的運行結(jié)果。圖27

30、中第一個波形是交流電壓源產(chǎn)生的電壓，從圖中可以看到它是一個正弦交流電壓。第二個波形是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，由圖27可以看出當(dāng)交流電壓源給電路提供正向交流電壓時（即晶閘管上加正向電壓時），脈沖發(fā)生器給電路一個正向脈沖。第三個波形圖是通過晶閘管的電流波形，可以看出：當(dāng)交流電壓源給電路提供正向交流電壓時（即晶閘管上加正向電壓時，脈沖發(fā)生器加正向脈沖），通過晶閘管的電流等于電路中的電流，說明此時晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)電壓源反向時（即晶閘管上加反向電壓時，脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生脈沖），流過晶閘管的電流為零，說明此時晶閘管不導(dǎo)通電路中沒有電流流過。第四個波形是負(fù)載電阻R兩端的電壓，可以看出當(dāng)交流電壓源給電路提

31、供正向交流電壓時（即晶閘管上加正向電壓時，脈沖發(fā)生器還沒有產(chǎn)生脈沖），負(fù)載R兩端電壓等于交流電壓源的電壓（因為負(fù)載電阻阻值為1），說明此時晶閘管處于止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)交流電壓源給電路提供正向交流電壓時（即晶閘管上加正向電壓時，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖），負(fù)載R兩端的電壓源為0，說明此時晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)交流電壓源由正變負(fù)（即二極管上加反向電壓時，脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生脈沖），負(fù)載R兩端的電壓等于交流電壓源的電壓，說明此時晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。第五個波形圖晶閘管兩端電壓波形，在交流電壓源供給電路正向電壓時（脈沖發(fā)生器還沒有產(chǎn)生脈沖），二極管兩端電壓為0；相應(yīng)第三條波形中此時晶閘管兩端的電壓也為0，說明此時晶閘管不導(dǎo)通；

32、當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時（即晶閘管上加正向電壓，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖），晶閘管兩端的電壓等于交流電壓源的電壓，當(dāng)電壓源反向時（即晶閘管上加反向電壓時，脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生脈沖），晶閘管兩端的電壓為零，說明此時晶閘管導(dǎo)通電路中有電流流過，晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)【6】。由以上分析可知晶閘管的基本特性：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。圖26 晶閘管特性測試仿真電路 圖27 測試仿真結(jié)果5.3全控型器件特性仿真分析5.3.1門極可關(guān)

33、斷晶閘管特性測試模型設(shè)置直流電源電壓值為90V，電阻值為1，脈沖發(fā)生器周期為T=0.01ms，調(diào)整GTO各項參數(shù)，設(shè)計GTO特性測試模型如圖28所示【7】。5.3.1.1仿真結(jié)果與分析運行圖28所示程序，得到圖29所示的運行結(jié)果，圖29中第一個波形是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，從圖中可以看到它是間斷性的供給電路脈沖。第二個波形是GTO兩端的電壓，可以看出當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時（即GTO上有電壓，GTO上有脈沖），GTO兩端有電壓，說明此時GTO處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖消失時（即GTO上沒有脈沖），GTO兩端的電壓等于0，說明此時GTO處于截止?fàn)顟B(tài)。第三個波形是負(fù)載電阻R兩端的電壓，可以看

34、出當(dāng)直流電壓源給電路提供電壓、脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時（即GTO上加正向電壓、GTO上有脈沖），負(fù)載R兩端電壓等于GTO兩端的電壓（因為負(fù)載電阻阻值為1），說明此時GTO處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生脈沖時（即晶閘管上加正向電壓、GTO上沒有脈沖），負(fù)載R兩端的電壓等于0，說明此時GTO處于截止?fàn)顟B(tài)。第四個波形圖是流過GTO的電流，在直流電壓源供給電路電壓時，流過GTO的電流為0，相應(yīng)第三個波形中此時負(fù)載兩端電壓等于電源電壓，說明此時GTO導(dǎo)通，并且導(dǎo)通壓降近似為0；當(dāng)脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生電壓時（即GTO上沒有脈沖），此時有流過GTO的電流，相應(yīng)第三個波形圖中負(fù)載兩端電壓為零，說明此時GTO不導(dǎo)

35、通。以上分析可知GTO的基本工作特性：門極可關(guān)斷晶閘管GTO，它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，且具有自關(guān)斷能力。GTO既可以用門極正向觸發(fā)信號使其觸發(fā)導(dǎo)通，又可向門極加負(fù)向觸發(fā)電壓使其關(guān)斷。圖28 門極可關(guān)斷晶閘管特性測試仿真電路 圖29測試仿真結(jié)果5.3.2電力場效應(yīng)晶體管特性測試模型設(shè)置直流電源電壓值為90V，電阻值為1，脈沖發(fā)生器周期為T=0.01ms，調(diào)整MOSFET各項參數(shù)，設(shè)計MOSFET特性測試模型如圖30所示。圖30 電力場效應(yīng)晶體管特性測試仿真電路 圖31測試仿真結(jié)果5.3.2.1仿真結(jié)果與分析運行圖30所示程序，得到圖31所示的運行結(jié)果，圖31中第一個波形是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖

36、，從圖中可以看到它是間斷性的供給電路脈沖。第二個波形是MOSFET兩端的電壓，可以看出當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時，MOSFET兩端有電壓，說明此時MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖消失時，MOSFET兩端的電壓等于0，說明此時MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)。第三個波形是負(fù)載電阻R兩端的電壓，可以看出當(dāng)直流電壓源給電路提供電壓、脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時，負(fù)載R兩端電壓等于MOSFET兩端的電壓（因為負(fù)載電阻阻值為1），說明此時MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生脈沖時，負(fù)載R兩端的電壓等于0，說明此時MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)。第四個波形圖是流過MOSFET的電流，在直流電壓源供給電路電

37、壓時，流過MOSFET的電流為0，相應(yīng)第三個波形中此時負(fù)載兩端電壓等于電源電壓，說明此時MOSFET導(dǎo)通，并且導(dǎo)通壓降近似為0；當(dāng)脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生電壓時，此時有流過MOSFET的電流，相應(yīng)第三個波形圖中負(fù)載兩端電壓為零，說明此時MOSFET不導(dǎo)通。以上分析可知電力場效應(yīng)管的基本工作特性：柵源間加驅(qū)動電壓則導(dǎo)通，去除驅(qū)動電壓則關(guān)斷。我們也可以看出其仿真結(jié)果與GTO極其相似，只不過其關(guān)斷、導(dǎo)通過程更為迅速，因為其不存在存儲電荷問題。5.3.3絕緣柵雙極型晶體管特性測試模型設(shè)置直流電源電壓值為90V，電阻值為1，脈沖發(fā)生器周期為T=0.01ms，調(diào)整IGBT各項參數(shù)，設(shè)計IGBT特性測試模型如圖3

38、2所示。圖32 絕緣柵雙極型晶體管特性測試仿真電路 圖33 測試仿真結(jié)果5.3.3.1仿真結(jié)果與分析運行圖32所示程序，得到圖33所示的運行結(jié)果，圖33中第一個波形是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，從圖中可以看到它是間斷性的供給電路脈沖。第二個波形是IGBT兩端的電壓，可以看出當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時，IGBT兩端有電壓，說明此時IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖消失時，IGBT兩端的電壓等于0，說明此時IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。第三個波形是負(fù)載電阻R兩端的電壓，可以看出當(dāng)直流電壓源給電路提供電壓、脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖時，負(fù)載R兩端電壓等于IGBT兩端的電壓（因為負(fù)載電阻阻值為1），說明此時IGBT處

39、于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生脈沖時，負(fù)載R兩端的電壓等于0，說明此時IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。第四個波形圖是流過IGBT的電流，在直流電壓源供給電路電壓時，流過IGBT的電流為0，相應(yīng)第三個波形中此時負(fù)載兩端電壓等于電源電壓，說明此時IGBT導(dǎo)通，并且導(dǎo)通壓降近似為0；當(dāng)脈沖發(fā)生器停止產(chǎn)生電壓時，此時有流過IGBT的電流，相應(yīng)第三個波形圖中負(fù)載兩端電壓為零，說明此時IGBT不導(dǎo)通。以上分析可知絕緣柵雙極型晶體管的基本工作特性：柵射間加驅(qū)動電壓則導(dǎo)通，去除驅(qū)動電壓則關(guān)斷。5.3.4全控型器件特性對比分析圖34 GTO、MOSFET、IGBT仿真結(jié)果對比我們通過仿真的結(jié)果對比可以看出全控型器件GTO、MOSFET、IGBT的測試