【文章內(nèi)容簡介】 電流、電力場效應(yīng)晶閘管電壓、電容電壓。 圖 528 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 絕緣柵極雙極性晶體管模塊 1. 原理與圖標 絕緣柵極雙極性晶體管 (Insulted Gate Bipolar Transistor，IGBT)是一種受柵極信號控制的半導體器件。它出現(xiàn)在 20世紀 80年代中期，由于結(jié)合了場效應(yīng)晶體管和電力晶體管的優(yōu)點，因此具有驅(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)備的主導器件。 IGBT模塊的電路符號及外特性如圖 529所示。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 529 絕緣柵極雙極性晶體管模塊的電路符號及外特性 (a) 電路符號； (b) 外特性 第 5章 電力電子電路仿真分析 IGBT模塊在集電極 —發(fā)射極間電壓 VCE為正且大于 Vf，門極信號為正 (g??0)時導通。即使集電極 —發(fā)射極間電壓為正，但門極信號為 0(g?=?0)， IGBT也要關(guān)斷。如果 IGBT集電極 —發(fā)射極間電壓為負 (VCE??0)，則 IGBT關(guān)斷。但對于商品IGBT來說，因為其內(nèi)部已并聯(lián)了反向二極管，所以 IGBT并沒有反向阻斷能力。 IGBT模塊的開關(guān)特性如圖 530所示。 IGBT在關(guān)斷時，有電流下降和電流拖尾兩段時間，下降時間內(nèi)電流減小到最大電流的 10%，經(jīng)過拖尾時間后 IGBT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。 IGBT模塊上并聯(lián)了 RC緩沖電路，緩沖電阻和電容的設(shè)置與其它器件相同。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 530 絕緣柵極雙極性晶體管模塊的開關(guān)特性 TtTfIC EIm a x0 . 1 Im a xOt第 5章 電力電子電路仿真分析 SimPowerSystems庫提供的 IGBT模塊的圖標如圖 531所示。 圖 531 絕緣柵極雙極性晶體管模塊的圖標 第 5章 電力電子電路仿真分析 2. 外部接口 該模塊有 2個電氣接口、 1個輸入接口和 1個輸出接口。 2個電氣接口 (C， E)分別對應(yīng)于 IGBT的集電極和發(fā)射極。輸入接口 (g)為門極控制信號，控制 IGBT模塊的導通和關(guān)斷。輸出接口 (m)輸出 IGBT模塊的電流和電壓測量值 [IC， VCE]，其中電流單位為 A，電壓單位為 V。 3. 參數(shù)設(shè)置 雙擊 IGBT模塊，彈出該模塊的參數(shù)對話框，如圖 532所示。該對話框中含有如下參數(shù)： (1) “導通電阻” (Resistance Ron)文本框：單位為 Ω。 (2) “電感” (Inductance Lon)文本框：單位為 H，電感值不能為 0。 第 5章 電力電子電路仿真分析 (3) “正向電壓” (Forward voltage Vf)文本框： IGBT模塊的門檻電壓 Vf，單位為 V。 (4) “電流減小到 10%時的下降時間” (Current 10% fall time Tf)文本框：單位為 s。 (5) “拖尾時間” (Current tail time Tt)文本框：單位為 s。 (6) “初始電流” (Initial current Ic)文本框：與晶閘管相同。 (7) “緩沖電路阻值” (Snubber resistance Rs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電阻值，單位為 Ω。緩沖電阻值設(shè)為 inf時，將取消緩沖電阻。 第 5章 電力電子電路仿真分析 (8) “緩沖電路電容值” (Snubber capacitance Cs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電容值，單位為 F。緩沖電容值設(shè)為 0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值為 inf時，緩沖電路為純電阻性電路。 (9) “測量輸出端” (Show measurement port)復選框：選中該復選框，出現(xiàn)測量輸出端口 m，可以觀測 IGBT的電流和電壓值。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 532 絕緣柵極雙極性晶體管模塊參數(shù)對話框 第 5章 電力電子電路仿真分析 【 例 】 如圖 533所示，構(gòu)建升壓變換器電路，觀測升壓效果。 IGBT模塊采用默認參數(shù)。二極管并聯(lián)有一個值為 105 Ω的純電阻性緩沖電路?？刂菩盘栴l率為 10 kHz，占空比為 。 圖 533 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 解： (1) 按圖 533搭建仿真電路模型，選用的各模塊的名稱及提取路徑見表 55。 表 55 例 模塊名 提取路徑 絕緣柵極雙極性晶體管模塊 IGBT SimPow erSyste ms/Pow er Elec tronics 二極管模塊 D1 SimPow erSyste ms/Pow er Elec tronics 直流電壓源 VDC SimPow erS yst ems/Elec trical Source s 串聯(lián) RLC 支路 L1 SimPow erSyste ms/Eleme nts 并聯(lián) RLC 支路 R//C SimPow erSyste ms/Eleme nts 脈沖發(fā)生器模塊 P Simulin k/Source s 電壓 表 模塊 V_load SimPow erSyste ms/Measureme nts 電流 表 模塊 IL 1 SimPow erSyste ms/Measureme nts 信號分離模塊 Dem ux1 、 De mux2 Simulin k/ Signa l Routing 示波器 Scop e Simulin k/Sinks 信號終結(jié)模塊 T Simulin k/Sinks 第 5章 電力電子電路仿真分析 (2) 設(shè)置模塊參數(shù)和仿真參數(shù)。雙擊脈沖發(fā)生器模塊，按圖 534設(shè)置參數(shù)。雙擊二極管模塊，按圖 535設(shè)置參數(shù)。絕緣柵極雙極性晶體管模塊采用圖 532所示的 SIMULINK的默認設(shè)置。直流電壓源 VDC的幅值等于 100 V。串聯(lián) RLC支路為純感性電路，其中電感 L1?=?400 μH。并聯(lián) RLC支路中，L?=?inf， R?=?50 Ω， C?=?25 μF。 打開菜單 [SimulationConfiguration Parameters]，選擇ode23tb算法，同時設(shè)置仿真結(jié)束時間為 20 ms。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 534 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 535 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 (3) 仿真及結(jié)果。開始仿真。在仿真結(jié)束后雙擊示波器模塊，得到絕緣柵極雙極性晶體管 IGBT和并聯(lián) RLC元件R//C上的電流電壓如圖 536所示。圖中波形從上向下依次為電感電流、二極管電流、負荷電壓、絕緣柵極雙極性晶體管電流和電壓。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 536 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 理想開關(guān)模塊 1. 原理與圖標 理想開關(guān)是 SIMULINK特設(shè)的一種電子開關(guān)，其模塊的電路符號如圖 537(a)所示。理想開關(guān)的特點是導通和關(guān)斷受門極控制，開關(guān)導通時電流可以雙向通過。當門極信號g?=?0時，無論開關(guān)承受正向還是反向電壓，開關(guān)都關(guān)斷；當門極信號 g??0時，無論開關(guān)承受正向還是反向電壓，開關(guān)都導通。在門極觸發(fā)時開關(guān)動作是瞬時完成的。理想開關(guān)模塊的伏安特性如圖 537(b)所示。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 537 理想開關(guān)模塊的電路符號和伏安特性 (a) 電路符號； (b) 伏安特性 ＋ －V1 221g( a )I1 2I1 2V1 2g ＝ 1 導 通g ＝ 0 關(guān) 斷g ＝ 1 導 通g ＝ 0 關(guān) 斷O( b )第 5章 電力電子電路仿真分析 SimPowerSystems庫提供的理想開關(guān)模塊的圖標如圖 538所示。 圖 538 理想開關(guān)模塊的圖標 第 5章 電力電子電路仿真分析 2. 外部接口 理想開關(guān)模塊有 2個電氣接口、 1個輸入接口和 1個輸出接口。 2個電氣接口 (1， 2)與電路直接連接。輸入接口 (g)輸入開關(guān)導通或關(guān)斷的控制信號。輸出接口 (m)輸出理想開關(guān)的電流和電壓測量值 [I12， V12]，其中電流單位為 A，電壓單位為 V。 3. 參數(shù)設(shè)置 雙擊理想開關(guān)模塊，彈出該模塊的參數(shù)對話框，如圖 539所示。該對話框中含有如下參數(shù)： (1) “內(nèi)部電阻” (Internal resistance Ron)文本框：單位為Ω，電阻值不能為 0。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 539 理想開關(guān)模塊參數(shù)對話框 第 5章 電力電子電路仿真分析 (2) “初始狀態(tài)“ (Initial state)文本框： 0為關(guān)斷， 1為導通。 (3) “緩沖電路阻值” (Snubber resistance Rs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電阻值，單位為 Ω。緩沖電阻值設(shè)為 inf時，將取消緩沖電阻。 (4) “緩沖電路電容值” (Snubber capacitance Cs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電容值，單位為 F。緩沖電容值設(shè)為 0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值設(shè)為 inf時，緩沖電路為純電阻性電路。 (5) “測量輸出端” (Show measurement port)復選框：選中該復選框，出現(xiàn)測量輸出端口 m，可以觀測理想開關(guān)模塊的電流和電壓值。 第 5章 電力電子電路仿真分析 【 例 】 如圖 540所示，構(gòu)建理想開關(guān)電路，觀測理想開關(guān)的投切效果。開關(guān)未并聯(lián)緩沖電路，導通時電阻為 Ω，開關(guān)初始為合閘狀態(tài)， s時開關(guān)斷開， s時重合閘成功。 圖 540 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 解： (1) 按圖 540搭建仿真電路模型，選用的各模塊的名稱及提取路徑見表 56。 表 56 例 模 塊 名 提 取 路 徑 理想開關(guān)模塊 Id eal S witch SimPow erSyste ms/Pow er Elec tronics 電壓源 Vs SimPow erSyste ms/Electrical S ources 串聯(lián) RLC 支路 R 、 L 、 C SimPow erSyste ms/Eleme nts 電壓 表 模塊 Vc SimPow erSyste ms/Measureme nts 電流 表 模塊 I_load SimPow erSyste ms/Measurem e nts 信號分離模塊 Dem ux Simulin k/ Signa l Routing 示波器 Scop e Simulin k/Sinks 定時器模塊 T imer SimPow erSyste ms/Extra L ibr a ry /C ontrol Bl oc ks 第 5章 電力電子電路仿真分析 (2) 設(shè)置模塊參數(shù)和仿真參數(shù)。雙擊理想開關(guān)模塊，按圖 541設(shè)置參數(shù)。雙擊定時器模塊，按圖 542設(shè)置開關(guān)初始為合閘狀態(tài)， s時開關(guān)斷開， s時再次合閘。 電壓源 Vs的有效值為 120 V，頻率為 50 Hz。串聯(lián) RLC支路中，電阻 R?=?10 Ω，電感 L?=? H，電容 C?=?10 μF。 打開菜單 [SimulationConfiguration Parameters]，選擇ode23tb算法，同時設(shè)置仿真結(jié)束時間為 20 ms。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 541 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 542 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 (3) 仿真及結(jié)果。開始仿真。在仿真結(jié)束后雙擊示波器模塊，得到理想開關(guān)和 RL支路上的電流電壓如圖 543所示。圖中波形從上向下依次為理想開關(guān)電流、理想開關(guān)電壓、負荷電流、負荷電壓。從仿真波形圖上可以清楚觀察到電流最大時斷開開關(guān)導致的負荷過電壓和電壓最大時投入重合閘的沖擊電流。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 543 例 第 5章 電力電子電路仿真分析 橋式電路模塊 三電平橋式電路模塊 1. 原理與圖標 SimPowerSystems庫提供的三電平橋式電路模塊圖標和單相結(jié)構(gòu)如圖 544所示。該模塊每一相由 4個開關(guān)設(shè)備 (Q1A、Q2A、 Q3A、 Q4A)、 4個反向并聯(lián)的二極管 (D1A、 D2A、 D3A、D4A)和 2個箝位二極管 (D5A、 D6A)組成，所有開關(guān)器件均忽略導通時間、下降時間和拖尾時間。 第 5章 電力電子電路仿真分析 圖 544 三電平橋式電路模塊 (a) 圖標； (b) 單相結(jié)構(gòu) 第 5章 電力電子電路仿真分析 2.