电力电子器件仿真模型设计及测试研究.pdf

2 0 1 5年第 5期 工业仪表与 自动化装置 6 5 电力电子器件仿真模型设计及 测试研究 刘春雅 ( 陕西国防工业职业技术学院 机 电工程 学院， 西安 7 1 0 3 0 0 ) 摘要： 电力电子技术是 以电力 电子器件为核心发展起 来的。该文分析 了典型电力 电子 器件的 特性， 并用 Ma t l a b软件建立仿真模 型， 从而把抽 象的器件 图像化。测试结果显示， 该模型成功验证 了各器件 的特性。 关键词 ： 电力电子 器件 ； 晶闸管； Ma t l a b 中图分类号 - T P 3 9 1 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 6 5 0 3 Th e r e s e a r c h o f s i mu l a t i o n mo de l a n d t e s t f o r t he po we r e l e c t r o n i c de v i c e LI U Ch un y a ( D e p a r t me n t ofE l e c t r o n ic E n g i n e e r i n g， S h a a n x i G nof a n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ， X i a n 7 1 0 3 0 0 ，C h in a ) Ab s t r a c t ： T h e c o r e d e v e l o p me n t o f p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y i s p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e r h i s p a p e r a n a l y s e d t h e f e a t u r e s o f t y p i c al p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e ，t h e s i mu l a t i o n mo d e l wa s d e s i g n e d b y Ma t l a b Th e a b s t r a c t d e v i c e w a s i c o n i z e d b y b u i l d i n g mo d e 1 T e s t r e s u l t s u g g e s t e d t h e s i mu l a t i o n mo d e l w a s p e r f e c t Ke y wo r d s ：p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e ； t h y r i s t o r ； Ma t l a b O 引言 电力电子技术是利用电力电子器件实现工业规 模电能变换的技术， 有时也称为功率电子技术。它 主要研究各种电力 电子器件 ， 以及 由这些 电力 电子 器件所构成的各种变流电路和变流装置 。电力电子 技术是以电力电子器件为核心发展起来的 ， 该文用 Ma t l a b设计常用 电力 电子器件的特性模 型， 把抽象 的器件图像化 ， 从 而为变流 电路和变流装置 的设计 奠定基础。 1 晶闸管的特性测试模型 晶闸管属于半控型器件 ， 它有 3个极 ： 阳极、 阴 极和门极 ， 晶闸管的门极可以控制其导通 ， 但不能控 制其关断。 1 1 特性测试模型的建立 设置交流电源 电压峰值为 1 0 0 V ， 电阻值为 1 Q， 脉冲发生器周期为 0 0 2 mS ， 设计 晶闸管特性 测试模型如图 1 所示 。 1 2结果 分析 调整 晶闸管各 项参数 ， 运行 图 1所 示程序 ， 得 收稿 日期 ： 2 0 1 41 2 2 6 作者简 介 ： 刘 春雅 ( 1 9 8 1 )， 女 ， 陕西 户县人 ， 硕士 ， 讲 师 ， 研究 方 向为嵌入式 系统开发 。 到 图 2所示 的运行结果 。图 中第 1个波 形是交流 电压源产 生 的电压 ， 可 以看 到它 是一个 正弦交 流 电压 。 图 1 晶闸管特性测试模型 一 。 0 0巨 二 二 一1 L 土_ 上 _ _ L 上 二 番 并 = 一 i 主主 至至 E 至三 一5O L 一 J LJ LJ 鼍 E 三二 一 1 0 0巨 三三三 一 LJLJL ：= - ：=：L 图2 晶闸管的特性测试结果 第 2个波形是脉 冲发生器 产生的脉冲 ， 可 以看 出当交流电压源给 电路提供正 向交流电压时( 即晶 - 6 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 5期 闸管上加正 向电压 时) ， 脉冲发生器给 电路一个正 向脉冲。 第 3个 波形是通过 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 产生 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 4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 供 正 向交 流 电压 时 ( 即晶闸管上加正向电压 ， 脉冲发生器还没有产生 脉冲时) ， 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 Q)， 说 明此时 晶闸管处 于截止状态 ； 当交流 电压源 给电路提供 正 向交流 电压时 ， 负载 R两端 的电压 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 5个波形是晶闸管两端 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 3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 ； 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 。 测试结果表 明， 晶闸管导通条件为 ： 一是 阳极、 阴极间必须加正 向电压 ； 二是门极、 阴极间必须加上 适当的正向门极 电压。晶闸管一旦导通 ， 门极 即失 去控制作用 ， 故 晶闸管为半控型器件 。欲使晶闸管 关断 ， 必须使 阳极电流减少到一定电流数值以下 ， 这 只有通过 使 阳极 电压减 少 到零 或 反 向 的方法 来 实 现 。 2 GT O 的特性测试模 型 G T O( G a t e T u r nO ff T h y r i s t o r ) 是门极可关 断 晶闸管的简称 ， 它是 晶闸管 的一个衍生器件。但 可 以通过门极施加负的脉冲电流使其关断， 属于全控 型器件。 2 1 特性测试模型的建立 设置直流电源电压值为 9 0 V， 电阻值为 1 Q， 脉 冲发生器周期为 T=0 0 2 ms ， 调整 G T O各项参数 ， 设计的 G T O特性测试模型如图 3所示。 巨 图 3 G T O特性测试模型 2 2 结果 分析 运行图3 所示程序， 得到图4 所示的运行结果， 图4中第 1 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。 峰 旺 工E工 罨 征二 二墨三 罨 匪 图 4 G T O的特性测试结果 第 2 个波形是 G T O两端的电压， 可以看出当脉 冲发生器产生脉冲时( 即 G T O上有电压 ， G T O上有 脉 冲) ， G T O两端有 电压 ， 说 明此 时 G T O处于导通 状态 ； 当脉冲发生器产生 的脉冲消失时 ( 即 G T O上 没有脉冲) ， G T O两端 的电压等于 0， 说 明此时 G T O 处于截止状态。 第 3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( 即 G T O上加正 向电压， G T O上有脉冲) ， 负 载 R两端电压等 于 G T O两端 的电压 ( 因为负载 电 阻阻值为 1 Q) ， 说明此时 G T O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 ， G T O上没有脉冲) ， 负载 R两端的电压等于 0 ， 说明此时 G T O处于截止状态。 第 4个波形是流过 G T O的电流， 在直流电压源 供给电路电压时 ， 流过 G T O的电流为0， 相应第 3个 波形中此时负载两端电压等于 电源电压 ， 说明此 时 2 0 1 5年第 5期 工业仪表与 自动化装置 6 7 G T O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 G T O上 没有脉 冲) ， 此 时有流过 G T O的 电流 ， 相应第 3个 波形 中负载 两端 电压为 零 ， 说明此时 G T O不导通。 以上分析说明 ： 门极可关断晶闸管 G T O具有普 通晶闸管的全部功能 ， 且具有 自关断能力。G T O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。 3 PMoS F E T特性模 型 金属 一氧化物半导体 场效应 晶体 管 ， 简称金氧 半场 效 晶体 管 ( M e t a lO x i d eS e m i c o n d u c t o r F i e l dE f f e c t T r a n s i s t o r ， MO S F E T) 是 一种可 以广泛 使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管( fi e l d e ff e c t t r a n s i s t o r ) 。M O S F E T依照其“ 通道” ( 工作载 流子) 的极性不同 ， 可分为“ N型” 与“ P型”两种 ， 通 常又称为 NMO S F E T与 PMO S F E T 。 3 1 特性测试模型的建立 设置直流 电源 电压为 9 0 V， 电阻为 1 Q， 脉冲发 生器 周 期 为 0 0 2 ms ， MO S F E T测 试模 型 如 图 5 所 示 。 区 图 5 PMO S F E T的特性模型 3 2 结果分析 运行图 5所示的源程序得出图 6所示的波形 图， 图中第 1个波形是脉冲发生器产生的脉冲 ， 从 图 中可以看到脉冲发生器在 间断性的产生脉冲。 第 2个波形是负载电阻 R两端 的电压 ， 可以看 出脉冲发生器给 电路提供脉 冲时 ( 即 PMO S F E T 上加脉冲时) ， 负载 R两端有 与脉 冲同周期 的电压 ( 因为负载电阻阻值为 1 n) ， 说明此时 P M O S F E T 处于导通状态 ； 当脉冲发生器停止产生脉 冲时 ( 即 MO S F E T上没有加 脉冲时) ， 负载 R两 端 的电压等 于 0 ， 说明此时 PMO S F E T处于截止状态 。 第 3个波形是通 过 PMO S F E T的 电流波形 ， 从 图中可看出： 当脉冲发生器产生脉 冲时( 即 MO S F E T上有脉冲时) ， 通过 PMO S F E T的电流等于电 路中的电流 ， 说 明此 时二极 PMO S F E T处于导通 状态 ； 当脉冲发生器没有脉 冲时( 即 PMO S F E T上 没有脉冲时) ， 流过 PMO S F E T的电流为零 ， 说明 此时 PMO S F E T不导通电路中没有电流流过 。 第 4个波形 是 PMO S F E T两端 电压波形 ， 在 脉冲发生器给电路脉冲时， PMO S F E T两端电压为 0 ， 相应第 2个波形 中此时负载两端有 电压 ， 说明此 时 PMO S F E T导通 ； 当脉 冲发生器产生 的脉冲 由 有变没( 即 MO S F E T上没有 脉冲) ， PMO S F E T两 端的电压近似等于负载 R导通 时的电压 ， 说 明此时 PMO S F E T不导通 。 厂_ _ _ _ 七 】 = 口 口 】 口 = 】 口 ! s： 臼 墨 弱 墨 圈 墨 口 【=l j ： c l 遗 L 皿盟 f=1 陵f= 罨 匝团 面可 0 O 0 0 2 O 0 0 4 O 0 0 6 0 0 0 8 O O1 0 O O1 2 O 01 4 O O l 6 0 O1 8 0 0 2 0 图 6 PMO S F E T的特性测试结果 4 结束语 电力电子技术 的应用领域相当广泛 ， 几乎遍及 所有电气工程领域 ， 它研究各种 电力 电子器件 ， 以及 由这些 电力电子器件所构成的各种变流电路和变流 装置 ， 以完成对 电能 的变换和控制。该文用 Ma t l a b 软件设计电力电子器件特性测试模型 ， 把抽象的器 件形象化 ， 帮助初学者理解 电力 电子器件的特性 ， 为 设计变流电路和变流装置奠定基础 。 参考文献： 1 王云亮 电力 电子技术 M 北 京： 电子 工业 出版 社 ， 2 0 1 3 2 李雅轩， 杨秀敏， 李艳萍 电力电子技术 M 北京 ： 中 国电力 出版社 ， 2 0 0 7 3 周渊深 电力电子技术与 Ma t l a b仿真 M 北京： 中国 电力出版社， 2 0 1 4 4 钱照明， 张军民， 盛况 电力电子器件及其应用的现状 和发展 J 中 国 电机 工 程 学 报， 2 0 1 4 ， 3 4( 2 9 ) ： 5 1 4 95 1 6 1 5 王兆安， 刘进军 电力电子技术 M 5版 北京： 机械 工业出版社 ， 2 0 0 9