电力电子仿真

1、目录引言2第1章电力电子仿真软件概述31.1 PSpice仿真软件31.2 Saber仿真软件 41.3 PLECS仿真软件 51.4 PSIM 仿真软件 71.5 CASPOC 仿真软件 71.6基于 M atlab的Simulink仿真软件 8电气（5）班鲜龙第5页2013-7-8引言计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已 经广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。计算机仿 真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析， 减轻劳动强度，提高分 析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统 研制周

2、期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和 试验过程。电气工程电路及其组成的系统主要功能是能源变换、 传递过程的 控制。要变换的是电力形态，控制方法靠电子线路。电力与电子结合 形成了电力电子学科，它是一个较为年轻的学科。也是多学科交叉的 边缘学科。电力本质是能源，有相当惯性，控制它的是电子线路，有 相当快速性，两者构成系统，尤其形成闭环系统时，用白动控制术语 来说属病态系统，意即有不易解决的稳定性方面的问题。这样的系统品质在20世纪80年代中后期有了飞速的提高。究其原因则是借 助于计算机仿真技术。电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学 科，除电力电子学科内容外，还应

3、考虑材料、环境、可靠性、管理等 方面的问题，才能解决好能源转换问题。由此可见，如此复杂的系统 工程，只有充分利用计算机处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的 必要性、有效性可见一斑。第1章电力电子仿真软件概述1.1 PSpice仿真软件PSpice是由美国 Microsim公司在spice 2G版本的基础上升 级并用于PC机上的Spice版本，其中采用白由格式语言的 5 .0版 本白20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，并且从 6 .0版本开 始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商0RCAD公 司与 Microsim 公司正式合并，白此 Microsim 公司的 PSpice产品

4、 正式并入0RCAD公司的商业EDA系统中。现在使用较多的是 PSpice 8 .0工作于 Windows环境，占用硬盘 空间60M左右，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元 器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。但各个部分都各有各的窗口。与传统的spice软件相比，PSpice在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和 瞬态等基本电路特性分析的基础上， 实现了蒙特卡罗分析。最坏情况 分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；第 三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路

5、仿真，并且 可以随时分析观察仿真结果。PSpice的应用范围很广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应 用之一。PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对 电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电 路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对电路设计有着重要指导意义。虽然PSpice应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于 Spice软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的 模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率 器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误

6、的 结果。PSpice采用变步长算法，对于周期性开关状态变化的电力电 子电路而言，将造成把大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，输出数据结构的格式兼容性也不甚理想。PSpice的另一问题是仿真的收敛性问题。对复杂电路进行仿真时， 有时数据的准确性较低。另外，在磁性元件的模型方面PSpice也有待加强。1.2 saber仿真软件Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信 号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、 多领域的系统仿真产品。Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、 分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力

7、、电子、航空、运 输、家用电器及军事等领域。与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法 进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。 应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型 是至关重要的。Sabe河同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模 数混合信号设备进行仿真。利用Analogy公司开发的CalaversasM法， Saber可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且可 以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现 了无缝联接。Saber适用领域广泛，包括电

8、子学、电力电子学、电机 工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统 等等。只要仿真对象能够用数学表达式进行描述，Saber就能对其进行系统级仿真。在Saber中，仿真模型可以直接用数学公式和控制关 系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。因此，Saber可以对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果可 以同时获得。为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将白动采用下一种算法。通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间 也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平 衡。Sa

9、ber采用其独特的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的 仿真精度。Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的 实现与 Cadence Design System Mentor Graphics 和 Viewlogic 的集成。 通过上述软件可以直接调用 Saber进行仿真。1.3 PLECS仿真软件PLECS仿真软件能为系统级电路仿真提供一个与 Simulink模型 完全无缝的整合。在动力电子系统和电力驱动器的模拟上可以进行简 化。另外PLECS工具箱的另外两大特色是：（1）仿真速度比同类 仿真软件都要快得多；（2）功率半导体元器件理想化。这样，在根 本上加快了专业

10、人员的设计时间， 降低了成本。PLECS提供了涵盖 了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模 型，主要由两大部分组成：内建元件和库元件。内建元件包括：电阻、 电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元 件；而库元件则主要有：IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、 三路开关、异步电机等的仿真模型。用户也可以根据白己的需求用内 建元件来构建所需的电路元件。实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。PLECS区别于以往传统的模拟仿真应用软件，主要有以下一些显著特点：（1） 兼容性好：与Simulink达到无缝结合；（2）高效的编辑原理；（3）开

11、关转换的理想化：A便于操作：一个理想的开关转化，不会让我们担 心诸如导通电阻或吸收电容这样的参数问题.通常，我们可能不知道这 些数值，特别是系统模拟所可能产生的寄生效应，也是很少被关注的， 这样,PLECS元件理想化优势就体现在这里.B稳定性好：在模拟电 路的搭建时，使用吸收电路往往使模拟系统复杂性增加，弹性系数也会上升.有些模块通常会要求固定时步模拟或使用弹性系数解算器.而 PLECS在没有缓冲器的条件下，就可以让您在Simulink的所有固定 时步和可变时步解算器中进行白由选择.C速度快：传统的一些电路 模拟程序，转化瞬间的计算十分繁琐.有限斜率强制缩短了程序运行步 骤的时间.在PLECS

12、中,这个问题就容易解决.只需要通过理想开关的 即时运行就可以实现.每个转化过程只需要两步.在某种程度上大大加快了模拟速度.(4)特殊的程序库 除了标准的参数如电流电压，有源 器件外,PLECS还提供了一些特别的元件.在程序库里，你可以找到很 多半导体元器件，如开关,断路器.变流器和三相变压器等等.为了模拟 电子驱动，我们在PLECS里还可以找到交流或直流发电机，如感应发 电机或永磁同步发电机1.4 PSIM仿真软件PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软 件。PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力 电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力

13、的 仿真环境。PSIM仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司 的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱 动开发领域，控制部分用 MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及 其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件 JMAG实现, 由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。1.5 CASPOC仿真软件CASPOC仿真软件是一个面向电力电子和电气驱动的功能强大 的系统级模拟软件。使用 CASPOC可以简单快速地建立电力电子、 电机、负载和控制量的多级模型。这个多级模型包括交互式电力供应 的电路级模型、电机/负载的部件级模型以及控制算法的系统级模

14、型， 最后使用CASPOC稳定的求解器快速和精确地仿真，将该模型的时CASPOC工作窗口电气(5)班 鲜龙第7页2013-7-8域波形、向量和谐波直观动态地显示出来，从而让用户进行电力电子领域内系统级的设计和分析。CASPOC仿真软件拥有无可争议的仿真速度和稳定性。1.6基于M atlab的Simulink仿真软件Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态 系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用 数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制 导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执 行，事件驱动，单速率、多速率

15、和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink还支持Stateflow,用来仿真事件驱动过程 Simulink是从底层开发的 一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把 Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能 模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。也可以根据白己的需要设计白己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好，是一种 很不错的仿真工具。Simulink

16、仿真具有以下的特点：(1)交互建模Simulink提供了大量的功能块，方便用户快速 地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能块，并对块将它们连接起来。用户可以通过将块组成子系统建立多级模型。和连接的数目没有限制。(2) 交互仿真Simulink 框图提供了交互性很强的非线性仿真 环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。 仿真结果可以在运行的同时通过 示波器或者图形窗口显示。(3) 能够扩充和定制Simulink的开放式结构允许用户扩充仿 真环境的功能。(4) 与 Matlab 和工具箱集成由于 Simulink 可以直接利用 Matlab的数学、图形和编程功能

17、，用户可以直接在 Simulink 下完 成诸如数据分析、过程白动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级 设计和分析能力可以通过 Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。(5) 专用模型库Simulink 的模型库可以通过专用元件集进一 步扩展。由于在白动控制原理课程仿真中已经对 simulink有了一定的熟 悉，故在本次的电力电子仿真中仍然采用的是基于 Matlab的Simulink 仿真软件。1.7本章小结在本章中简单地介绍了目前比较常用的电力电子仿真的常用仿 真软件，并简要地介绍了各个电力电子仿真软件的优缺点以及其各白 应用的领域。仿真软件能够帮助我们更好地掌握电力电子的基本理论知识，

18、 它 是我们在没有世间经验的情况下与实际沟通的桥梁， 它是一种强有力 的工具电气(5)班鲜龙第9页2013-7-8第2章基本元器件特性的测试仿真2.1不可控器件电力二极管电力二极管的仿真模型位于Simulink的SimPowerSystems工具箱的Power Electronic库中，名称为Diode，其模块如图所示：Diode图2-1电力二极管模型电力二极管的工作特性类似于模拟 电路中的二极管，当加在其两端的正向 电压大于其门槛电压时，二极管导通工 作，否则二极管处于反向截止状态。由于电力二极管无控制极，故属于不控型器件。分两种情况分别讨论电力二极管的工作特性：带纯阻性负 载；带阻感性负载

19、；说明：为了分析的方便，在以下所有的分析中除了给出其仿 真的连接电路图外，也加入了电路的原理图， 绘制原理图的软件 有很多种，在此我采用的是比较熟悉的Protel 99 SE软件，此处不再赘述。带纯阻性负载:电气（5）班鲜龙第11页2013-7-8其所对应的仿真电路图如图2-3所示:Current MeasurememtAC Voltage SovBfflStge Fleasurementi打4B-口ScopeVoltage MeasurementElSeries RLC Branch仿真连接图说明：该仿真图为在原理图的基础上加了电流测量模块与电压测量模块，并通过示波器进行观察。仿真波形图如图

20、2-4所示：图2-4彷真波形图电路电流负载电压二极管端电压该仿真中所用示波器为三踪示波器，第一踪波形为电路中的电流，第 二踪波形为负载端电压，第三踪波形为二极管端电压。参数说明:所用电源为交流220V其频率为50HZ;所用电阻R为1?; 仿真结果分析：从仿真的波形图可以很明显的看出，在纯阻性负载的情况下，其 电流的波形与负载端电压的波形基本相同， 而且二极管两端加上正向 电压时，二极管导通，并随着交流电源电压幅值的上升，负载端电压 与电路电流也相应的上升，二极管端电压为0值。而在交流电源电压 的极性变反时，即加在二极管两端的电压变为负值时， 二极管立即关 断，并没有出现续流的情况。此时，负载端

21、电压与电路电流均为0值, 而二极管两端承受反向电压，并随着交流电源电压幅值的变大， 其反 向电压也变大。带阻感性负载：电路原理图如图2-5所示：图2-3阻感负载电路原理医其所对应的仿真电路图如图2-6所示:Voltag & Measu re ment AC Voltage SovBIfege Measurement!DiodeCurrent (MeasurementSeries ULC Branch电气（5）班鲜龙第15页2013-7-8图2-6带阻感负载仿真电路连接图仿真连接图说明：该仿真连接图基本与带纯阻性负载时的相同，唯一区别在于其负载的变化。参数说明：由于在带阻感性负载的电路中

22、，其电路的波形将会随着电感值的 不同而不同，故为了说明电感所起的作用，在此设四组电感值并对其 相应的波形进行对比分析。电路中的交流电源电压仍然为 220V,频率为50HZ。其电阻R任为1?;电感值的分类如下： L=1e-3 H; L=10e-3 H; L=50e-3 H; L=150e-3 H;图2T L=le-3 H时的仿真液形图当L=10e-3 H时的仿真波形图如图2-8所示:图10e-3 H时的仿真波形图当L=50e-3 H时的仿真波形图如图2-9所示:图卜I。L=150l3 H时的仿真波形图当L=150e-3 H时的仿真波形图如图2-10所示:仿真结果分析：由四个波形图对比可以看出，当

23、负载中的电感值发生变化时，其 所对应的波形也将相应的发生变化。当L有值时，可以与带纯阻性负载时的波形进行比较， 在纯阻性 负载电源电压的极性为正时，电力二极管导通工作，而当电源电压的 极性变反时，二极管立即处于反向截止状态。当负载有电感值时， 虽然电源电压在极性为正时电力二极管导通工作， 情况与纯阻性负载时的类似，但是在电源电压的极性变为负值时， 电力二极管并不立即 关断，而是有一定的延时续流，其延时续流的时间与其负载中电感的 值有关，当电感值越大时，其延时续流的时间也越长。从四份仿真波形图的对比中可以分析得到， 当电感的值越来越大 时，电流波形的幅值也越来越小，而且也变得越来越平滑，其负载端

24、 的电压波形在负轴也变得越来越越多， 二极管的反向端电压也随着电 感值趋向于无穷大，其值也会趋向于 0值。波形不同于带纯阻性负载时的原因是由于电感是储能原件， 在电 源电压的极性变反时，由于电感相当于电动势，所以它与电源电压综 合加在二极管两端的电压并没有变为负值， 而任保持其导通。当电感 的值越大时，其作用也将越加的明显。2.2半控器件一一晶闸管晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅，简称SCR。晶闸管在六七 十年代获得迅速的发展，除器件的性能与电压、电流容量不断提高外， 还派生出快速晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双 向晶闸管，形成晶闸管系列。晶闸管在 Simulik中的模型rx

25、图如图2-11所示:Thyristor12-11昌E苣模M电气（5）班鲜龙第晶闸管的工作特性可简单总结如下： 门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一般硅二极管的反向电流稍大，且随着管子正向阳极电压的升高而增大。 当阳 极电压升到足够大时，会使晶闸管导通，称为正向转折或 硬开通。 晶闸管加上正向阳极电压后，还必须加上触发触发电压产 生足够的触发电流，才能使晶闸管从阻断状态转为导通状 态，称为触发导通。 晶闸管一旦被触发导通后，门极完全失去控制作用。要关 断已经导通的晶闸管，必须使阳极电流小于维持电流，对 于电阻负载，只要使管子阳极电压将为零即可。 为了保证 晶闸管可靠与迅速地关断，通常在管子阳极电压

26、将为零之 后，加一段时间的反向电压。为了说明晶闸管的特性用简单的单向半波整流电路的仿真波形 作为简要的分析。同样，晶闸管特性的讨论也将分为带纯阻性负载与带阻感性负载 的两种情况。带纯阻性负载：电路原理图如图2-12所示：电气（5）班鲜龙第35页2013-7-8其所对应的仿真电路图如图2-13所示:Pl宰AC Voltage SourceJerifi RLC BranchVoltage Measurement_L吉=图2-13单向半波带纯阻性仿真仿真电路仿真图说明：在该仿真图中，加入了电流测量单元与电压测量单元来观察负载 端电压与电路中的电流的波形，还测量了晶闸管的端电压及其电流的 波形。在纯阻

27、性负载的情况下分四种情况观察波形： 触发角为0度的情况； 触发角为30度的情况； 触发角为60度的情况； 触发角为90度的情况。首先在触发角为0度时仿真的波形图如图2-14所示:E2-U单t半注堂注阻性负我铀岌较为0度时发云区当触发角为30度时的仿真波形图如图2-15所示:图2-15单向半波带纯阻负载触发角为30当触发角为60度时的仿真波形图如图2-16所示:图2T6单向半波带纯阻负载触发角为60度波形图当触发角为90度时的仿真波形图如图2-17所示:图2-17单向半波带纯阻负载触发角为90度时波形图参数说明：在该仿真中所用交流电源为220V且其频率为50HZ;因为在此只 是简单器件特性的验证

28、性仿真，故为了简单起见，选取其负载电阻为 1Q;脉冲发生器的的周期值设置为 0.02s,脉冲宽度为5%,相应的 触发角分别设置为0 , 30° , 60 90所对应的值。仿真结果分析：从图2-14的仿真波形图可以看出，当触发角为 0°时，当加在 晶闸管两端的电压为正向电压时， 晶闸管立即导通，负载端的电压及 其电路中的电流均会随着电源电压的变化而发生相应的变化。在交流电源电压为正的半个周期中，晶闸管两端的电压始终处于 0值，这也充分的说明了晶闸管正处于导通状态。而当交流电源电压的极性变反时， 晶闸管立即关断，其负载端的 电压及其电流值均变为0值，但是在此时晶闸管两端的电压将

29、会随着 交流电源电压的变化而相应的升高和降低。在对比触发角为0仿真波形图的情况下，分析触发角分别为30 , 60° ,以及90的波形图，不难会得出以下的结论：负载端的电压及其电流值均且只能出现在前半个周期，其幅值都为正值。而且晶闸管的工作必须是在交流电压为正且其触发角到来 时。由于是纯阻性负载故在电源压变反时， 加在晶闸管两端的电压也 将变为负值，从而使晶闸管立刻关断，退出工作状态。从波形图中可 以清楚的观察到无论在哪个触发角的情况下，当电源电压极性变反 时，其后半个周期的波形图均完全相同， 其主要原因就是纯阻性负载 是非储能元件，在电源电压变反时，而没有其他可以提供电动势的元 件从

30、而使得晶闸管两端的电压立即变为负值， 迫使晶闸管关断，也就 使得在后半周期的波形均完全相同。带阻感性负载：其电路原理图如图2-18所示：图2-IS带阻感负载电路图其所对应的仿真图如图2-19所示:JinPulse SensrjtrAC Voltage SourceSeries RLC BranchVoltage Measur&rrient图2-19带阻感负载仿真电路连接图仍然将触发角分为0°、30°、60°、以及90的情况进行仿真，并对其相应的波形进行分析。首先单相半波带阻感负载且触发角为 0°时的仿真波形如图如图2-20所示：图2-20触发角为

31、（T时的仿真波形图当触发角为30。时的仿真波形图如图2-21所示:图2-21触发角为30。时的仿真波形图当触发角为60时的仿真波形图如图2-22所示:图2-22触发角为60"时的仿真波形图当触发角为90时的仿真波形图如图2-23所示:图2-23触发角为90“时的仿真波形图参数说明：交流电源仍然为220V频率为50HZ;为了分析方便任然将负载电 阻值设置为1?,负载电感值为2mH;脉冲发生器的周期设置为0.02s,脉冲宽度为10%。触发角设置 为0°、30°、60°、90 相对应的参数值。仿真结果分析：对比前面带纯阻负载的波形图不难看出在带阻感负载时电流的

32、 波形比前种情况平滑。其原因就是因为在负载中加入了电感， 而电感 是储能元件具有能够平滑波形的作用。再对比观察负载端的电压，可以分析得到在两种情况下各个相对 应触发角时负载端的开始段波形即负载端开始存在电压时的波形完 全相同，其原因已在上面分析过，此处不再赘述。但是再观察负载端电压的负半轴，可以看出带纯阻负载时负载电 压在负半轴并没有值，即当交流电源电压的极性变反时，负载端的电 压将不再变化，一直保持为零值。而带阻感性负载时可以看到负载端 电压的波形在负半轴也有值，也就是说在交流电源电压的极性变反 时，由于电感的存在，而电感又是储能原件，在这里就相当于一个电 动势，它与交流电源相抵消后加在晶闸

33、管两端的电压并不是复制，从而使得此时晶闸管不立即关断，其负载端仍存在电压。而当综合后加 在晶闸管两端的电压变为负值时，晶闸管才退出工作状态，负载端的 电压也立刻变为零值。对于晶闸管两端的反向电压，其分析过程相似，即在晶闸管处于 工作状态时一直保持为零值，但是当晶闸管退出工作状态，晶闸管两 端的电压有相应的值。此处不再详细分析。当然，在此处还可以进行深入的讨论分析， 即变化负载中电感的 值，并观察电感值的变化对各个波形图的影响。由于在此只是简单的单个元器件特性的测试，故不再具体地分析 讨论。现将其原理说明如下。众所周知，电感是储能元件，但是电感储能的能力与其电感值的 大小有关，当电感值越大时，其

34、储能的能力也越强。故当交流电源电 压极性变反时，经过多长时间使得晶闸管两端的电压变为负值决定于 电感值的大小。电感值越大，储存的电能就越多，与交流电源作用的 时间就越长，从而使得晶闸管的导通时间加长， 也将导致负载电压在 负半轴的有效值变大。2.3全控器件一一IGBT将GTO或RTO双极型电流驱动器件与 MOSFET单极型电压驱动器件两类器件相互取长补短适IGET1当结合而成的复合器件，通常称为Bi-MOS器件。IGBT综合了前两者的优点，因而具有良好的特性。其仿真模型在Simulink中的2-24 IGBT模型图图形如图2-24所示。现将IGBT的特性总结如下： IGBT的开关速度高，开关损

35、耗小。有关资料表明，在电压1000V以上是，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10, 与电力MOSFET相当。 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 IGBT的通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。 IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提局，同时可保持开关频率局的特点。同样，为了验证IGBT的特性，选取简单的升压斩波电路进行分该电压斩波电路的原理图如图2-25所示:Q1：2H6975BYM11-8Q0图2-25升压斩波电路原理图其所对应的

36、仿真原理图如图2-26所示:图2-26升压斩波电路仿真连接图当脉冲发生器所对应脉冲的占空比为40%时所对应的波形图如 图2-27所示:参数说明:选择直流电源电压为100V,网侧的电感值为8mH;负载的电阻 值为50?;电容值为80uF;脉冲发生器的脉冲宽度为40%,且其脉 冲的周期设置为0.002s。仿真结果分析:该电路是一个简单的IGBT应用电路，从波形图可以直观地分析得出在负载端的电压的负值时直流电源电压的两倍,即将直流电源电压幅值100V升到了 200V,这也是该电路的宗旨。现在来分析前几个周期中的工作过程及其原理。首先，在波形图中可以直观看到，在第一个周期中的脉冲作用时间,IGBT导通

37、并有电流流过。在负载端，由于电容没有累积的电荷，且此时电阻也被IGBT短路，故在波形图上表现为负载两端的电压为零值。而当脉冲变为低电平时，即IGBT被关断时，可以看到此时流过 IGBT的电流立刻变为零值。但是，主关键的是负载两端的电压会随 着电容的充电而迅速上升，由于充电时间常数的关系，在第一个周期 中负载端的电压并没有上升到最终的稳态值 200V。在以后的几个周期中，其工作过程与第一个周期的工作过程完全 相似，但是要经过几个周期的稳定过程，直到负载端的电压稳定在 200V时，进入稳定运行状态，其后每个周期的波形完全相同。2. 4本章小结在本章中主要分析了电力电子中的常用的典型元器件，旨在了解

38、和验证各种器件的工作特性，并首先对 Simulink有个入门的认识和 初步的应用，为后面解决习题以及设计分析复杂的电力电子仿真电路 打下坚实的基础。由于电力电子中的基本元器件比较多， 故只能选取典型的代表进 行分析。在不可控器件中选择了正常用的电力二极管。 而在半控器件中选 择了晶闸管进行分析。在全控器件中选择了最具典型代表的 IGBT。 这些器件都是在电力电子中必须掌握的器件， 故在此选择了这些器件 以加深对它们的理解与掌握。第3章 仿真软件在实际中的应用在上一章中主要介绍了简单的电力电子器件的基本特性。 主要为 不可控器件中的电力二极管，半控器件中的晶闸管，以及全控器件中 的最为典型的IG

39、BT。由于上一章的宗旨是熟悉仿真软件的应用环境以及验证器件的 特性，故在上一章中所涉及的电路都是非常简单易分析的电路。在前一章的基础上，这一章将重点放在稍微复杂的电路中， 为了 分析切近实际，选取几道习题作为本章的内容加以分析。3.1整流电路的分析在本节中所选取的一道习题题目为：有一单相全控整流电路，电阻性负载，请画出负载端的电压以及 电流的波形和整流二极管所承受电压的波形。图3-1单相桥式全控整流电路其所对应的仿真电路图如图3-2所示:图3-2单相桥式全控整流仿真电路连接图PuteGtntntorl众所周知，在整流电路中最关键的参数就是触发角的大小，它的值直接影响着仿真波形的形状。故在该题目

40、中主要围绕触发角的不同 来进行仿真得出相对应的波形图。不失一般性，将触发角分为以下四种情况进行讨论： 当触发角为0°时的波形图； 当触发角为30时的波形图； 当触发角为60时的波形图； 当触发角为90时的波形图；首先，在触发角为0°情况下时：调节第一路脉冲发生器的延迟角 0 ,由于在电路中两个桥臂是对 称的，则两个桥臂分别对应半个周期，故而调节第二路脉冲发生器的 延迟角为180。则在触发角为0°时的波形图如图3-3所示:图3-3触发角为0。时的仿真波形图触发较为30时的波形图如图3-4所示:电气（5）班鲜龙第#页2013-7-8触发角为60时的波形图如图3-5所示

41、:电气（5）班鲜龙第37页2013-7-8波形图触发角为90时的波形图如图3-6所示：图3-6触发角为90“时的仿真波形图参数说明：由于在该题目中并没有给出确切的参数， 所以为了分析方便，选 取参数如下：交流电源为100V频率为50HZ;负载的电阻值为150Q;所用晶 闸管的一些参数为其默认值。仿真结果分析：在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1与VT4组成一对桥臂， VT2与VT3组成另一对桥臂。在交流电源电压的正半周，若 4个晶 闸管均不导通，则负载电流为零，VT1、VT4串联承受交流电源电压， 若两个管子的漏电阻相等，则各承受一半。若在相应的触发角处给 VT1与VT4加触发脉冲，VT1与

42、VT4即会导通，电流会从电源a端 流经VT1、R与VT4流回电源的b端。当交流电源电压过零时，流 经晶闸管的电流也降到零，VT1与VT4将关断。在交流电源电压的负半周，仍然在给定相应触发角处触发VT2与VT3,使VT2与VT3导通，电流从b端流出，流经 VT2、R与 VT3流回电源的a端。到电源电压过零时，电流又降为零，VT2与VT3关断。此后又是VT1与VT4导通，如此循环地工作下去，将会 得到所对应的波形图。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故而该电路为全波整流。在负载端电压的一个周期内，整流电压脉动两次，脉动的次数多 于半波整流电路，故该电路属于双波整流电路。3.2交流调

43、压电路的分析交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光的控 制）及一步电动机的软启动，也用于异步电动机的调速。在供电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。 此外, 在高电压小电流或低电压大电流直流电源中， 也常采用交流调压电路 调节变压器的一次电压。在本节中将选取一道有关交流调压的系统进行分析，旨在掌握交流脉宽调制的理论与思想。所选习题的题目为：有一交流调压电路，其所带负载为纯阻性负载，试画出负载端的 的电压与流经负载电流的波形。交流调压电路的种类非常的多，但为了分析的方便，选取最常用 的晶闸管反向并联的一种做一分析。其电路原理图如图3-7所示：图3-7交流调压电路原理图电气（

44、5）班鲜龙第39页2013-7-8其所对应的仿真电路连接图如图3-8所示:Scope图3-8交流调压仿真电路连接图为了进行对比，便于分析，在交流调压电路中仍然采取以触发角 为核心，即观察不同触发角情况下所对应的仿真波形图。在此，为了与前面分析的思路保持一致，故仍将所要观察的波形 图分为四种情况： 当触发角为0°时的波形图； 当触发角为30时的波形图； 当触发角为60时的波形图； 当触发角为90时的波形图；对脉冲发生器的参数进行相应的设置，可以得到在不同触发角情况下电气（5）班鲜龙第41页2013-7-8的仿真波形图。当触发角为0°时的波形图如图3-9所示:图3-9触发角为（T时的仿真波形图当触发角为30时的波形图如图3-10所示：图3T0触发角为30时的仿真波形图电气（5）班鲜龙第#页2013-7-8当触发角为60时的波形图如图3-11所示:电气（5）班鲜龙第43页2013-7-8图3T1触发角为60。时的仿真波形图当触发角为90时的波形图如图3-12所示:图3T2触发角为90“