电力电子器件特性仿真分析

1、机械与电气工程学院2012级电气工程及其自动化专业课程设计报告电子课程设计报告题 目： 电力电子器件特性仿真分析 学生姓名： 学生学号： 年 级： 专 业： 班 级： 指导教师： 机械与电气工程学院制2015年5月目录1 绪论32 课程设计的任务与要求33 常见电力电子器件介绍33.1电力电子器件的分类33.2 常见不可控器件介绍43.2.1二极管 43.3 常见半控型器件介绍53.3.1晶闸管53.4 常见全控型器件介绍73.4.1门极可关断晶闸管73.4.2电力场效应晶体管93.4.3绝缘栅双极型晶体管103.4.4电力晶体管124仿真软件介绍134.1简介134.2特点135仿真电路模型

2、与特性分析145.1不可控器件特性仿真分析145.1.1二极管特性测试模型145.1.2仿真结果与分析145.2半控型器件特性仿真分析155.2.1晶闸管特性测试模型155.2.2仿真结果与分析155.3全控型器件特性仿真分析165.3.1门极可关断晶闸管特性测试模型165.3.1.1仿真结果与分析165.3.2电力场效应晶体管特性测试模型185.3.2.1仿真结果与分析185.3.3绝缘栅双极型晶体管特性测试模型195.3.3.1仿真结果与分析195.3.4全控型器件特性对比分析206总结及体会20电力电子器件特性仿真分析学生： 指导教师：机械与电气工程学院 电气工程及其自动化专业1 绪论由

3、于新电力电子器件的不断产生,仪器仪表自动化程度的提高,对系统可靠性的要求也越来越高, 因此,在电力系统中有必要掌握新电力电子器件的性能和应用方法【1】。电力电子器件是电力电子技术应用发展的基础，电力电子设备的工作状况是通过控制电力电子器件的开关状态来实现的。根据器件导通和关断的可控性，可将电力电子器件分为不可控器件、半控型器件和全控型器件。不可控器件没有控制极，其导通与关断完全由外部电路决定；半控型器件和全控型器件有控制极，对于半控型器件而言，通过对控制极施加导通控制信号能使器件导通，但器件导通后即不再受控制极控制，其关断由外部主回路决定；而全控型器件的导通和关断则都能通过对控制极施加开通和关

4、断信号来实现【2】。而本次的课程设计则是通过仿真软件的仿真分析对电力电子器件的特性有所了解。2 课程设计的任务与要求（1）熟悉matlab/simulink的仿真模块用法及其功能；（2）掌握并了解各电力电子器件的基本工作特性；（3） 设计二极管、晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT特性测试电路仿真模型，运用MATLAB实现仿真；（4）掌握基本电路的数据分析、处理，描绘波形并加以分析判断。3 常见电力电子器件介绍3.1电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：（1）不可控器件它不能用控制信号来控制其通断, 器件的导通与关断完全由自身在电路中承受的电压和电流来决定，因此也就不需要

5、驱动电路。这类器件主要指二极管。（2）半控型器件指通过控制信号能控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。这类器件主要是指晶闸管，它由普通晶闸管及其派生器件组成。（3）全控型器件指通过控制信号既可以可控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。这类器件的品种很多，目前常用的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。按照驱动电路信号的性质，分为两类：（1）电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。（2）电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。按照内

6、部导电机理，分为三类：（1）单极型器件内部只有一种带电粒子参与导电。（2）双极型器件内有电子和空穴两种带电粒子参与导电。（3）复合型由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件。而本次的课程设计我们则是按照控制程度的分类来介绍、仿真并分析。3.2 常见不可控器件介绍3.2.1二极管 类型：双极型、不可控器件。二极管的基本特征：单向导电性。二极管的主要类型：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。二极管是不可控的单向导电型二端半导体器件，二极管模块的图标和仿真模型如图1和图2所示。模型二极管的单向导电性能由二极管逻辑控制，当二极管承受正向电压时( Vak>O)，二极管导通，当二极管电流下降到零

7、(Iak=O)或承受反向电压时(VakO)，二极管关断。二极管的伏安特性如图3所示。图1二极管图标 图2二极管模型 图3二极管伏安特性在二极管参数设置中，当电感参数为“0”时电阻不能同时取“0”，当电阻参数取“0”时电感参数也不能同时取“0”。在设置了门槛电压Vf时，只有当二极管正向电压大于Vf后，二极管才能导通。在参数对话框还有初始电流一栏，设置初始电流可以使电路在非零状态下开始仿真，但是初始电流设置是有条件的，首先是在二极管电感参数大于0时才能设定这项参数，其次是仿真电路的其他储能元件也设定了初始值，尤其设定所有其他相关储能元件的初始值是很麻烦的，所以一般都取初始电流为“O”，使电路在零状

8、态下开始仿真。模型二极管已并联有RC缓冲电路，在缓冲电阻值设为“inf”，缓冲电容设为“O”时，则二极管取消了缓冲电路部分。如果在缓冲电阻不为“O”时，设缓冲电容为“inf”，则是纯电阻的缓冲电路。MATLAB的二极管没有普通二极管、电力二极管、快恢复二极管等等的区分，统一为一个模型，不同二极管只能在参数设置上略有反应。1.静态特性（电力二极管伏安特性图）主要指其伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电

9、流。2. 动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。3. 开关特性反映通态和断态之间的转换过程。4. 关断过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。3.3 常见半控型器件介绍3.3.1晶闸管类型：双极型、电流控制、半控型器件。晶闸管的工作特性：承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管的派生器件：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。晶闸管(Thyristor)俗称硅晶体闸流管。晶闸管通常

10、有普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。普通晶闸管也叫可控硅，用SCR表示，国际通用名称为Thyristor简称T。晶闸管是可控整流电路常用的器件，在模型库中晶闸管模型有两种（见图4），一种是较详细的模型，其模型名为Detailed Thyristor，它的可设置参数较多；另一种是简化的模型，模型名为Thyristor，它的参数设置较简单。晶闸管的模型结构和伏安特性分别如图5和图6所示。图4 晶闸管图标 图5 晶闸管模型 图6 晶闸管伏安特性晶闸管内部是一种四层（P、N、P、N）结构，对外呈三端（A、G、K）大功率半导体器件，它有三个PN结：J1、J2、J3。其外形有

11、平板形和螺栓形。三个引出端分别叫做阳极A、阴极K和门极G，门极也叫控制级。由晶闸管的结构可知，晶闸管是一种四层三端器件，有J1、J2、J3三个PN结.当把中间的N1和P2分为两部分，则可构成一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管，晶闸管的三个PN结可等效看成由两个晶体管V1(P1-N1-P2)与V2(N1-P2-N2)组成。晶闸管模型在晶闸管承受正向电压(Vak>O)，且门极有正的触发脉冲信号(g>O)时晶闸管导通。触发脉冲的宽度要使阳极电流Iak能大于设定的晶闸管擎住电流I1，晶闸管才能正常导通，否则在导通过程中，如果在阳极电流还小于擎住电流时，门极信号已经为零(g=O)

12、，则晶闸管仍要转向关断。 导通的晶闸管在阳极电流下降到零(Iak =O)，或者晶闸管承受反向电压时，晶闸管关断，但是晶闸管承受反向电压的时间应大于设置的关断时间Tq，否则尽管门极信号为零，晶闸管还可能导通，因为关断时间是表示晶闸管内载流子复合的时间，是晶闸管阳极电流减少为零后到晶闸管能再次施加正向电压而不会误导通的一段时间间隔。晶闸管模型的导通和关断与实际的物理晶闸管有差别，一是只要门极信号大于零，同时满足正向电压条件，晶闸管就能导通；二是阳极电流下降到零(lak =O)后，晶闸管才能关断，而不是阳极电流下降到维持电流以下晶闸管就关断。晶闸管的简单模型没有擎住电流和关断时间这两项参数，因此在较

13、复杂的电路仿真中使用较为方便。关于初始电流、缓冲电阻和缓冲电容的设置要求与二极管相同【3】。图7 晶闸管的伏安特性 图8 晶闸管的开通和关断过程波形额定电压：取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。通态平均电流 IT(AV）：在环境温度为40°C 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL ：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM：指由于电路异常情况引起的并使结温超过

14、额定结温的不重复性最大正向过载电流。3.4 常见全控型器件介绍3.4.1门极可关断晶闸管类型：双极型、电流控制、全控型器件。门极可关断晶闸管的工作特性：导通条件与晶闸管一样。不同之处在于可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。可关断晶闸管( GTO)与普通晶闸管的区别是可以通过门极信号在任何时间使导通的晶闸管关断，其图标如图9所示。为PN PN四层结构的器件,具有普通晶闸管的全部优点,同时又具有关断能力。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO）是在普通晶闸管的基础上发展而来，是晶闸管的一种派生器件。从结构上看通常它有三个极：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。门

15、极可关断晶闸管通断方便，是一种大功率无触点开关，它是逆变电路中的主要开关元件，广泛用在中小容量变频器中。但由于受到反向关断及工作频率的限制，门极可关断晶闸管正被新型的大功率晶体管GTR所取代，但是在大容量变频器，GTO以其工作电流大，耐压高的特性，仍得到普遍应用。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。但是MATLAB的可关断晶闸管模型，在导通和关断的控制要求上与实际的可关断晶闸管有较大不同，可关断晶闸管模型在管子承受正向电压，且门极信号大于零(g>O)时导通，在门极信号等于零(g=O)时关断。实际的物理可关断晶闸管在一旦导通后门极信号可

16、以为零，管子仍保持导通状态，而关断时需要在门极有足够的反抽电流才能关断。模型的关断过程分为两段，一段是下降时间Tf，一段是电流的拖尾时间Tt。在电流的下降时间内，电流减小到关断时电流的10%，再经过一段拖尾时间，电流才下降为零，电流的下降时间和拖尾时间可以在参数中设置。可关断晶闸管的模型和开关特性分别如图10和图11所示可关断晶闸管模型也已经并联了RC缓冲电路，缓冲电路的设置与二极管模型相同。图9 GTO图标 图10 GTO模型 图11 GTO开关特性与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。图12 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、

17、V2分别具有共基极电流增益1和2。1+2=1是器件临界导通的条件。1.导通条件在门极和阴极之间加一正向电压，即：G（）、K（），GTO导通。2.关断条件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，在门极和阴极之间加一反向电压， G（）、K（），GTO关断。最大可关断阳极电流IATO：GTO的额定电流。电流关断增益off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益（off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点）。3.4.2电力场效应晶体管类型：单极型、电压控制型器件、全控型器件。电力场效应晶体管的工作特性：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零时截止，栅源极间加正电压时导

18、通。电力场效应晶体管(MOSFET)具有开关频率高、导通压降小等特点，在电力电子电路中使用广泛。MOSFET的静态特性与GTR相似,其动态特性与GTR也相似,但它不存在存储电荷问题,而有极间电容放电问题。场效应晶体管一般有结型和绝缘栅型两种，MATLAB的场效应晶体管模型并不区分这两种模型，也没有P沟道和N沟道之分，它仅仅反映了场效应晶体管的开关特性，是场效应晶体管通用的宏模型。电力场效应晶体管模型的图标如图13所示，结构和外特性如图14和图15所示。图13 MOSFET图标 图14 MOSFET模型 图15 MOSFET外特性场效应晶体管模型在门极信号为正(g>0)，且漏极电流ID &

19、gt;O时导通，在门极信号为零时关断。场效应晶体管模型上反并联了一个二极管，因此在外特性上，正向导通状态的导通电阻是Ron，而外特性中的反向导通是二极管导通，导通电阻是二极管的电阻Rd。参数中的缓冲电阻和缓冲电容的参数设置与二极管相同。图16 电力MOSFET的转移特性 图17 电力MOSFET的输出特性漏极电压UDS:电力MOSFET的电压定额。漏极直流电流ID：电力MOSFET的电流定额。开启电压UT：使器件开通所需加在栅源间的最小电压。栅源电压UGS：|UGS|>20V将导致绝缘层击穿。3.4.3绝缘栅双极型晶体管类型：复合型、电压控制型器件、全控型器件。绝缘栅双极晶体管的工作特性

20、：驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决定。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结合了场效应晶体管和电力晶体管的优点，具有驱动功率小、开关速度快、通流能力强的特点，目前已经成为中小功率电力电子设备的主导器件。IGBT的模块有两个：一个是并联缓冲电阻和电容的模型（见图18a），一个是反并联二极管的模型(见图18b)。绝缘栅双极型晶体管模型和外特性如图19和图20所示。图18 IGBT图标 图19 IGBT模型 图20 IGBT外特性IGBT模型在集射极间电压为正(Vce>O)，且有门极信号(g>O)时导通；即使集射极间电压为正( Vce >O)，但是门

21、极信号为零(g=O)，IGBT也要关断。如果IGBT集射极间电压为负( Vce <O)，则管子处在关断状态。IGBT/Diode模型与一般商品IGBT一样，内部已并联了反向二极管，所以在IGBT集射极间电压为负时也反向导通。IGBT模型的开关特性如图21所示。IGBT在关断时，有电流下降和电流拖尾两端时间，在下降时间内，电流减小到关断前的10%，再经过一段电流的拖尾时间，IGBT才完全关断。IGBT的电流下降时间和拖尾时间可以在参数对话框中设置。图21 IGBT模型的开关特性连接了RC缓冲电路的IGBT模型，缓冲电阻和电容的设置与其他器件相同。图22 IGBT的转移特性和输出特性最大集射

22、极间电压UCES：由内部PNP晶体管的击穿电压确定。最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。IGBT的擎住效应：IGBT内部还存在一个寄生晶闸管，当集电极电流大到一定程度，会造成寄生晶闸管开通，导致栅极失去控制作用，这就是擎住效应。3.4.4电力晶体管类型：双极型、电流控制、全控型器件。电力晶体管的工作特性：与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，但工作在开关状态。GTR 的二次击穿现象：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。GTR静态特性的阻断区仅有极小的反向漏电流存在,而承受全部高电压,类似于开关处于断开

23、状态,在饱和区,即非线性区电流增益和导通电压都很小,类似于开关处于接通态。工作在开关状态的器件应尽量避免工作于线性区,否则功耗将会很大。GTR的动态特性与普通晶体管相似,当给GTR加以阶跃正基极电流后,先延时一段时间,然后集电极电流逐渐上升到稳态值。GTR的安全工作区是由集电极耐压、最大允许电流、最大允许功耗和二次击穿耐量所决定的一个区域。电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）是一种大功率晶体管，又叫双极型晶体管（BJT），GTR在结构上常用达林顿结构形式，是由多个晶体管复合组成的大功率晶体管，通过与反相续流二极管并联组成一个模块，GTR也具有三个极，分别是基极

24、（B）、发射极（E）、集电极（C）。GTR如同普通的晶体管一样，也有三种工作状态，即放大、饱和及截止状态，在大功率可控电路中，GTR主要工作在饱和状态和截止状态。由于GTR工作在大功率电路中，因此管子的功耗是一个不容忽视的问题，GTR在截止和饱和状态时其功耗是很小的，但是在放大状态其功耗将增大百倍，因此，逆变电路的GTR在交替切换的过程中是不允许在放大区稍做停留的。GTR具有自关断能力及开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等特点，广泛用于交流调速、变频电源中。在中小容量的变频器中，曾一度占据了主导地位。图23 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动4仿真软件介绍4.1简介SMATLAB的

25、SIMULINK是很有特色的仿真环境，在此环境中，用户可以用点击、拖拉鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。早期MATLAB的仿真编程是在文本窗口进行的，编制的程序是一行行命令和MATLAB函数，不直观，也难于和实际的物理系统或电路建立形象的联系。在SIMULINK环境中，系统的函数和电路元器件的模型都用方框图形的模块表达，模块之间的连线则表示了信号流动的方向。对用户来说，只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿真，而不必去记那些复杂的函数【4】。4.2特点SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点： 1)

26、以调用模块代替程序的编写，以模块连成的方框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。以框图表示的系统应包括输入（激励源）、输出（观测仪器）和组成系统模块。 2)系统方框图画完，设置了仿真参数，即可启动仿真，这时会自动地完成仿真系统的初始化过程，将系统的框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构并计算系统在给定激励下的响应。 3)系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这与在实验室中用示波器观察的效果几乎一致。 4)系统仿真的数据可以用.mat为后级的文件保存，并且可以用其他数据处理软件处理。 5)如果系统方框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，会给出一定的出错提示信息，但是这些提

27、示不一定准确，这是软件还不够完备的地方。 6)以框图形式仿真控制系统是SIMULINK的最早功能，后来在SIMULINK的基础上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊控制等数10种模型库，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱共用的平台，在这个平台上可以进行控制系统、电力系统、通信系统等各种系统仿真。本次的电力电子技术课程设计我们就是采用仿真软件Simulink来对一些电力电子器件的特性进行仿真分析！5仿真电路模型与特性分析5.1不可控器件特性仿真分析5.1.1二极管特性测试模型二极管特性测试模型如图24所示，图中电源电压为设置为100V，频率50HZ,电阻值为1，脉冲发生器周期为

28、T=0.02ms。图24 二极管特性测试仿真电路【8】5.1.2仿真结果与分析调整二极管各项参数，运行图24所示程序，得到图25所示的运行结果。图25中第一个波形是交流电压源产生的电压，从图中可以看到它是一个正弦交流电压。第二个波形是负载电阻R两端的电压，由图25可以看出当交流电压源给电路提供正向交流电压时（即二极管上加正向电压时），负载R两端电压等于交流电压源的电压（负载电阻阻值为1），说明此时二极管处于导通状态；当交流电压源由正变负（即二极管上加反向电压时），负载R两端的电压等于0，说明此时二极管处于截止状态。第三个波形图是通过二极管的电流波形，从图中可看出：当交流电压源给电路提供正向交流

29、电压时（即二极管上加正向电压时），通过二极管的电流等于电路中的电流，说明此时二极管处于导通状态；当电压源反向时（即二极管上加反向电压时），流过二极管的电流为零，说明此时二极管不导通电路中没有电流流过【5】。以上分析得出二极管的基本特性：单向导电性即承受正向电压则开通，承受反向电压则关断。图25 二极管特性测试仿真结果5.2半控型器件特性仿真分析5.2.1晶闸管特性测试模型设置交流电源电压峰值为100V，频率为50HZ，电阻值为1，脉冲发生器周期为T=0.02ms，设计晶闸管特性测试模型如图26所示。5.2.2仿真结果与分析调整晶闸管各项参数，运行图26所示程序，得到图27所示的运行结果。图27

30、中第一个波形是交流电压源产生的电压，从图中可以看到它是一个正弦交流电压。第二个波形是脉冲发生器产生的脉冲，由图27可以看出当交流电压源给电路提供正向交流电压时（即晶闸管上加正向电压时），脉冲发生器给电路一个正向脉冲。第三个波形图是通过晶闸管的电流波形，可以看出：当交流电压源给电路提供正向交流电压时（即晶闸管上加正向电压时，脉冲发生器加正向脉冲），通过晶闸管的电流等于电路中的电流，说明此时晶闸管处于导通状态；当电压源反向时（即晶闸管上加反向电压时，脉冲发生器停止产生脉冲），流过晶闸管的电流为零，说明此时晶闸管不导通电路中没有电流流过。第四个波形是负载电阻R两端的电压，可以看出当交流电压源给电路提

31、供正向交流电压时（即晶闸管上加正向电压时，脉冲发生器还没有产生脉冲），负载R两端电压等于交流电压源的电压（因为负载电阻阻值为1），说明此时晶闸管处于止状态；当交流电压源给电路提供正向交流电压时（即晶闸管上加正向电压时，脉冲发生器产生脉冲），负载R两端的电压源为0，说明此时晶闸管导通；当交流电压源由正变负（即二极管上加反向电压时，脉冲发生器停止产生脉冲），负载R两端的电压等于交流电压源的电压，说明此时晶闸管处于截止状态。第五个波形图晶闸管两端电压波形，在交流电压源供给电路正向电压时（脉冲发生器还没有产生脉冲），二极管两端电压为0；相应第三条波形中此时晶闸管两端的电压也为0，说明此时晶闸管不导通；

32、当脉冲发生器产生脉冲时（即晶闸管上加正向电压，脉冲发生器产生脉冲），晶闸管两端的电压等于交流电压源的电压，当电压源反向时（即晶闸管上加反向电压时，脉冲发生器停止产生脉冲），晶闸管两端的电压为零，说明此时晶闸管导通电路中有电流流过，晶闸管处于导通状态【6】。由以上分析可知晶闸管的基本特性：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。图26 晶闸管特性测试仿真电路 图27 测试仿真结果5.3全控型器件特性仿真分析5.3.1门极可关

33、断晶闸管特性测试模型设置直流电源电压值为90V，电阻值为1，脉冲发生器周期为T=0.01ms，调整GTO各项参数，设计GTO特性测试模型如图28所示【7】。5.3.1.1仿真结果与分析运行图28所示程序，得到图29所示的运行结果，图29中第一个波形是脉冲发生器产生的脉冲，从图中可以看到它是间断性的供给电路脉冲。第二个波形是GTO两端的电压，可以看出当脉冲发生器产生脉冲时（即GTO上有电压，GTO上有脉冲），GTO两端有电压，说明此时GTO处于导通状态；当脉冲发生器产生的脉冲消失时（即GTO上没有脉冲），GTO两端的电压等于0，说明此时GTO处于截止状态。第三个波形是负载电阻R两端的电压，可以看

34、出当直流电压源给电路提供电压、脉冲发生器产生脉冲时（即GTO上加正向电压、GTO上有脉冲），负载R两端电压等于GTO两端的电压（因为负载电阻阻值为1），说明此时GTO处于导通状态；当脉冲发生器停止产生脉冲时（即晶闸管上加正向电压、GTO上没有脉冲），负载R两端的电压等于0，说明此时GTO处于截止状态。第四个波形图是流过GTO的电流，在直流电压源供给电路电压时，流过GTO的电流为0，相应第三个波形中此时负载两端电压等于电源电压，说明此时GTO导通，并且导通压降近似为0；当脉冲发生器停止产生电压时（即GTO上没有脉冲），此时有流过GTO的电流，相应第三个波形图中负载两端电压为零，说明此时GTO不导

35、通。以上分析可知GTO的基本工作特性：门极可关断晶闸管GTO，它具有普通晶闸管的全部优点，且具有自关断能力。GTO既可以用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加负向触发电压使其关断。图28 门极可关断晶闸管特性测试仿真电路 图29测试仿真结果5.3.2电力场效应晶体管特性测试模型设置直流电源电压值为90V，电阻值为1，脉冲发生器周期为T=0.01ms，调整MOSFET各项参数，设计MOSFET特性测试模型如图30所示。图30 电力场效应晶体管特性测试仿真电路 图31测试仿真结果5.3.2.1仿真结果与分析运行图30所示程序，得到图31所示的运行结果，图31中第一个波形是脉冲发生器产生的脉冲

36、，从图中可以看到它是间断性的供给电路脉冲。第二个波形是MOSFET两端的电压，可以看出当脉冲发生器产生脉冲时，MOSFET两端有电压，说明此时MOSFET处于导通状态；当脉冲发生器产生的脉冲消失时，MOSFET两端的电压等于0，说明此时MOSFET处于截止状态。第三个波形是负载电阻R两端的电压，可以看出当直流电压源给电路提供电压、脉冲发生器产生脉冲时，负载R两端电压等于MOSFET两端的电压（因为负载电阻阻值为1），说明此时MOSFET处于导通状态；当脉冲发生器停止产生脉冲时，负载R两端的电压等于0，说明此时MOSFET处于截止状态。第四个波形图是流过MOSFET的电流，在直流电压源供给电路电

37、压时，流过MOSFET的电流为0，相应第三个波形中此时负载两端电压等于电源电压，说明此时MOSFET导通，并且导通压降近似为0；当脉冲发生器停止产生电压时，此时有流过MOSFET的电流，相应第三个波形图中负载两端电压为零，说明此时MOSFET不导通。以上分析可知电力场效应管的基本工作特性：栅源间加驱动电压则导通，去除驱动电压则关断。我们也可以看出其仿真结果与GTO极其相似，只不过其关断、导通过程更为迅速，因为其不存在存储电荷问题。5.3.3绝缘栅双极型晶体管特性测试模型设置直流电源电压值为90V，电阻值为1，脉冲发生器周期为T=0.01ms，调整IGBT各项参数，设计IGBT特性测试模型如图3

38、2所示。图32 绝缘栅双极型晶体管特性测试仿真电路 图33 测试仿真结果5.3.3.1仿真结果与分析运行图32所示程序，得到图33所示的运行结果，图33中第一个波形是脉冲发生器产生的脉冲，从图中可以看到它是间断性的供给电路脉冲。第二个波形是IGBT两端的电压，可以看出当脉冲发生器产生脉冲时，IGBT两端有电压，说明此时IGBT处于导通状态；当脉冲发生器产生的脉冲消失时，IGBT两端的电压等于0，说明此时IGBT处于截止状态。第三个波形是负载电阻R两端的电压，可以看出当直流电压源给电路提供电压、脉冲发生器产生脉冲时，负载R两端电压等于IGBT两端的电压（因为负载电阻阻值为1），说明此时IGBT处

39、于导通状态；当脉冲发生器停止产生脉冲时，负载R两端的电压等于0，说明此时IGBT处于截止状态。第四个波形图是流过IGBT的电流，在直流电压源供给电路电压时，流过IGBT的电流为0，相应第三个波形中此时负载两端电压等于电源电压，说明此时IGBT导通，并且导通压降近似为0；当脉冲发生器停止产生电压时，此时有流过IGBT的电流，相应第三个波形图中负载两端电压为零，说明此时IGBT不导通。以上分析可知绝缘栅双极型晶体管的基本工作特性：栅射间加驱动电压则导通，去除驱动电压则关断。5.3.4全控型器件特性对比分析图34 GTO、MOSFET、IGBT仿真结果对比我们通过仿真的结果对比可以看出全控型器件GTO、MOSFET、IGBT的测试