电子课程设计报告-电力电子器件特性仿真分析.doc

淮南师范学院机械与电气工程学院2015届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： 系 别： 专 业： 届 别： 指导教师： 机械与电气工程学院制2015年5月目录第一章 仿真软件介绍1.1简介31.2功能41.3 特点4第二章 常见电力电子器件及其模型2.1电力电子器件的分类52.2电力电子器件基础pn结62.3二极管62.4晶闸管82.5门极可关断晶闸管112.6电力场效应晶体管132.7绝缘栅双极型晶体管142.8电力晶体管16第三章 仿真电路与特性分析3.1二极管特性仿真分析183.2晶闸管特性仿真分析193.3门极可关断晶闸管特性仿真分析203.4电力场效应晶体管特性仿真分析223.5绝缘栅双极型晶体管特性仿真分析23第四章 总结及体会24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第一章 仿真软件介绍1.1简介simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink。matlab的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。simulink系统仿真环境也称工具箱，是matlab最早开发的，它包括simulink仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包( ccs)的继续，现在的系统仿真(simulink)包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。由于simulink的仿真平台使用方便，功能强大，后来拓展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境，成为matlab仿真的公共平台。simulink是simulation和link两个英文单词的缩写，意思是仿真链接，matlab模型都在这环境中使用，从模型库中提取模型放到simulink的仿真平台上进行仿真，所以有关simulink的操作是仿真应用的基础。1.2功能simulink是matlab中的一种可视化仿真工具， 是一种基于matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在simulink基础之上的其他产品扩展了simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。simulink与matlab紧密集成，可以直接访问matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。1.3 特点simulink作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点： 1)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。7）simulink中，电力系统模型库power system block在matlab6.5以前使用的是version 2版本，matlab6.5以后升级为version 3，模块以电路接口替代了原先的信号接口，使电力电子电路的建模更为方便。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！第二章 常见电力电子器件及其模型2.1电力电子器件的分类电力电子器件的定义：可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：半控型器件（thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（igbt,mosfet)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(power diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。按照驱动电路信号的性质，分为两类：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。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。按照内部导电机理，分为三类：单极型器件内部只有一种带电粒子参与导电。双极型器件内有电子和空穴两种带电粒子参与导电。复合型由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件。2.2电力电子器件基础pn结n型半导体和p型半导体结合后构成pn结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。pn结特性1.正向导通状态即pn结外加正向电压时，处于导通状态，表现为低阻态。但维持1v左右的压降。2.反向截止状态即pn结外加反向电压时，处于截止状态，表现为高阻态。但维持有微弱的漏电流流通，也称反向饱和电流，一般为微安级，几乎为零。pn结的单向导电性二极管的基本原理就在于pn结的单向导电性这一主要特征。3pn结的电容效应：pn结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容cb和扩散电容cd。2.3二极管类型：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3-2和图3-3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(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3-4所示。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。 2.4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(thyristor)俗称硅晶体闸流管。晶闸管通常有普通晶闸管、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3-5），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3-6和图3-7所示。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(vako)，且门极有正的触发脉冲信号(go)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)，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。含晶闸管模型的电路仿真，仿真算法宜采用ode23tb或ode15s。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40c 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额定结温的不重复性最大正向过载电流。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。2.5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3-8所示。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(go)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3-9和图3-10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。带可关断晶闸管模型的电路仿真，仿真算法同样宜采用ode23tb或ode15s。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。由p1n1p2和n1p2n2构成的两个晶体管v1、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）。2.6电力场效应晶体管类型：单极型、电压控制型器件。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。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3-11所示，结构和外特性如图3-12和图3-13所示。场效应晶体管模型在门极信号为正(g0)，且漏极电流id 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。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。2.7绝缘栅双极型晶体管类型：复合型、电压控制型器件。绝缘栅双极晶体管的工作特性：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3-14a），一个是反并联二极管的模型(见图3-14b)。绝缘栅双极型晶体管模型和外特性如图3-15和图3-16所示。igbt模型在集射极间电压为正(vceo)，且有门极信号(go)时导通；即使集射极间电压为正( vce o)，但是门极信号为零(g=o)，igbt也要关断。如果igbt集射极间电压为负( vce bucex buces bucer buceo。实际使用时，最高工作电压要比buceo低得多。第三章 仿真电路与特性分析3.1二极管特性仿真分析二极管特性测试仿真电路从仿真的结果我们可以看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。二极管特性测试仿真结果3.2晶闸管特性仿真分析晶闸管特性测试仿真电路晶闸管特性测试仿真结果从仿真的结果我们可以看出晶闸管正常工作时的基本特性：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。3.3门极可关断晶闸管特性仿真分析门极可关断晶闸管特性测试仿真电路门极可关断晶闸管特性