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1、MATLABMATLAB应用技术应用技术电力电子与MATLAB应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术3.1 电力电子器件与MATLAB3.1.1电力二极管电力二极管电力二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，即正向导电、反向阻断。1电力二极管基本特性电力二极管基本特性MATLABMATLAB应用技术应用技术2电力二极管在电力二极管在MATLAB中实现中实现MATLABMATLAB应用技术应用技术电力二极管仿真模型电力二极管仿真模型:由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成。模块有两个输出（k、m端子）和一个输入（a端子），分别电力二极管的阴极和测量信号输
2、出端子以及二极管的阳极端子。测量端子输出二极管的电流和正向压降，即Iak,VakMATLABMATLAB应用技术应用技术电力二极管元件内电阻电力二极管元件内电感电力二极管元件正向管压降初始电流缓冲电阻缓冲电容在仿真中含有电力二极管的电路时，必须使用刚性积分算法。为获得较快的仿真速度，可使用ode23tb或ode15s算法。参数参数设设置界面置界面MATLABMATLAB应用技术应用技术3.电力二极管元件的仿真举例电力二极管元件的仿真举例单相半波整流器 MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术3.1.2晶闸管晶闸管1.晶闸管工作原理晶闸管工作原理2晶闸管伏
3、安特性晶闸管伏安特性导通条件：导通条件：阳极和阴极间施加正压，门极和阴极间施加正压（门极触发脉冲为正）。关断条件：关断条件：阳极和阴极间施压反压，使得晶闸管阳极电流减小到维持电流以下。MATLABMATLAB应用技术应用技术3晶闸管在晶闸管在MATLAB中的实现中的实现MATLABMATLAB应用技术应用技术晶闸管仿真模型：由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成。开关受逻辑信号控制，该逻辑信号由电压Vak、电流Iak和门极触发信号g决定。晶闸管仿真模型原理 晶闸管模块的图标 MATLABMATLAB应用技术应用技术晶闸管元件参数设置晶闸管元件参数设置 在仿真含有
4、晶闸管的电路时，必须使用刚性积分算法。为获得较快的仿真速度，可使用Ode15s或ode23tb算法。晶闸管元件内电阻晶闸管元件内电感晶闸管元件正向管压降初始电流缓冲电阻缓冲电容MATLABMATLAB应用技术应用技术4.晶闸管仿真举例晶闸管仿真举例单相半波整流器模型 MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术=0单相半波整流桥仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术反并联续流二极管 MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术3.1.3 可关断晶闸管可关断晶闸管1.可关断晶闸管工作原理可关断晶闸管工作原理2.G
5、TO的静态伏安特性的静态伏安特性MATLABMATLAB应用技术应用技术3.GTO在在MATLAB中的实现中的实现MATLABMATLAB应用技术应用技术GTO模型由电阻Ron电感Lon、直流电压源Vf和开关串联组成，该开关受一个逻辑信号控制，该逻辑信号又由GTO的电压Vak、电流Iak和门极触发信号（g）决定。MATLABMATLAB应用技术应用技术参数设置参数设置 仿真含有可关断晶闸管的电路时，必须使用刚性积分算法，ode15s或ode23tb算法。元件内电阻元件内电感正向管压降初始电流缓冲电阻缓冲电容电流下降到10%的时间电流拖尾时间MATLABMATLAB应用技术应用技术5.可关断晶闸
6、管元件的建模和仿真应用实例可关断晶闸管元件的建模和仿真应用实例单相半波整流器 MATLABMATLAB应用技术应用技术=30GTO单相半波整流器仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术3.1.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管1绝缘栅双极型晶体管工作原理绝缘栅双极型晶体管工作原理2.IGBT的伏安特性的伏安特性MATLABMATLAB应用技术应用技术3IGBT在在MATLAB中的实现中的实现MATLABMATLAB应用技术应用技术由电阻Ron、电感Lon和直流电压源Vf与逻辑信号（g0或g=0）控制的开关串联电路组成。输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极C和发射极E
7、输入g为加在门极上的逻辑控制信g 输出m用于测量输出向量Iak,Vak MATLABMATLAB应用技术应用技术IGBT的参数设置的参数设置 仿真含有IGBT元件的电路时，必须使用刚性积分算法（ode15s或ode23tb）。元件内电阻元件内电感正向管压降初始电流缓冲电阻缓冲电容电流下降到10%的时间电流拖尾时间MATLABMATLAB应用技术应用技术n假设L值很大，C值也很大nV通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为EI1ton。nV断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间
8、为toff，则此期间电感L释放能量为（Uo-E）I1toff。n稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，EI1ton（Uo-E）I1toffn化简得：T/toff 1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。也称之为boost变换器。0uGE0ioI1a)电路图b)波形图 升压斩波电路及工作波形4.IGBT构成的升压变换器建模与仿真构成的升压变换器建模与仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术Boost变换器仿真结果 MATLABMATLAB应用技术应用技术3.2晶闸管三相桥式整流器及其仿真3.2.1 晶闸管三相桥式整流器构成晶闸管三相
9、桥式整流器构成MATLABMATLAB应用技术应用技术3.2.2晶闸管三相桥式整流器的仿真模型晶闸管三相桥式整流器的仿真模型MATLABMATLAB应用技术应用技术（1）整流桥模型）整流桥模型MATLABMATLAB应用技术应用技术通用桥臂模块（Universal Bridge）A、B、C端子：分别为三相交流电源的相电压输入端子；Pulses端子：为触发脉冲输入端子，如果选择为电力二极管，无此端子；、端子：分别为整流器的输出和输入端子，在建模时需要构成回路。MATLABMATLAB应用技术应用技术通用桥臂模块参数设置MATLABMATLAB应用技术应用技术（2）同步脉冲触发器）同步脉冲触发器M
10、ATLABMATLAB应用技术应用技术同步脉冲触发器用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，触发器输出的16号脉冲依次送给三相全控整流桥对应编号的6个晶闸管.alpha_deg：此端子为脉冲触发角控制信号输入；AB,BC,CA：三相电源的三相线电压输入即Vab,Vbc,and Vca；Block：触发器控制端，输入为“0”时开放触发器，输入大于零时封锁触发器；Pulses：6脉冲输出信号。MATLABMATLAB应用技术应用技术6脉冲同步触发器参数设置Frequency of synchronization voltages(Hz)：同步电压频率（赫兹）；Pulse width(degrees)：
11、触发脉冲宽度（角度）；Double pulsing：双脉冲触发选择。MATLABMATLAB应用技术应用技术alpha_deg为30时，双6脉冲同步触发器的输入输出信号MATLABMATLAB应用技术应用技术（3）其他模块）其他模块主回路负载这里为了模拟直流电动机模型，选择电阻、电感与直流反电动势构成，电阻、电感模型选择RLC串联分支实现。直流反电动势通过直流电源实现，因为电流反向的原因需要将其设为负值实现反电动势功能。三相交流电源通过三个频率50、幅值220、相位滞后120交流电压源实现。再加入相应的测量模块和输出模块，完成电气连接。MATLABMATLAB应用技术应用技术仿真算法选择ode
12、23s算法,仿真时间为00.05 秒，其他参数为默认值。在负载选择R1欧、L1mH，反电动势V5V时进行仿真。MATLABMATLAB应用技术应用技术3.3基于PWM技术逆变器及其仿真PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。重要理论基础重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f
13、(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)MATLABMATLAB应用技术应用技术u将图a的正弦波分成N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，为/N，但幅值不等，各脉冲幅值按正弦规律变化。aOutb图 用PWM波代替正弦半波u如将脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，得图b脉冲序列，即PWM波形。vSPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形MATLABMATLAB应用技术应用技术PWM脉冲产生：脉冲产生：MATL
14、ABMATLAB应用技术应用技术OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。MATLABMATLAB应用技术应用技术MATLABMATLAB应用技术应用技术3.3.1 PWM技术逆变器原理技术逆变器原理图 单相逆变器主电路MATLABMATLAB应用技术应用技术ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时使V3断，V4通，uo=0。urucuOwtOw
15、tuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量单极性PWM控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。MATLABMATLAB应用技术应用技术双极性PWM控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有U Ud d两种电平。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当当ur uc时时，V1和V4导通，V2和V3关断。如如io0，V1和V4通；如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。当当uruc时时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。urucuOwt
16、OwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。MATLABMATLAB应用技术应用技术3.3.2基于基于PWM技术逆变器仿真技术逆变器仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术（1）逆变器模型）逆变器模型逆变器模型采用通用桥臂构成。MATLABMATLAB应用技术应用技术（2）PWM发生器发生器MATLABMATLAB应用技术应用技术Signal（s）：当选择为调制信号内部产生模式时，无需连接此端子；当选择为调制信号外部产生模式时，此端子需要连接用户定义的调制信号。Pulses：根据选择主电路桥臂形式，定制产生2，4，6，12路PWM脉冲。见 P92 表3-2。MA
17、TLABMATLAB应用技术应用技术PWM发生器参数设置 Generator Mode：分别选择为1-arm bridge（2 pulses）、2-arm bridge（4 pulses）、3-arm bridge（6 pulses）、double 3-arm bridge（6 pulses）。Carrier frequency(Hz)：载波频率 Internal generation of modulating signal(s)：调制信号内、外产生方式选择信号。Modulation index(0 m 1)：调制索引值m，调制信号内产生方式下可选，其范围在01之间。大小决定输出信号的幅值。
18、Frequency of output voltage(Hz)：调制信号内产生方式下可选，输出电压的频率设定。Phase of output voltage(degrees)：调制信号内产生方式下可选，输出电压初始相位值设定。MATLABMATLAB应用技术应用技术（3）电源模型）电源模型由于逆变器模型为双极性方式，故将两个直流电压源串联连接，中间接地。二者都设定为200伏。（4）其他模型）其他模型逆变器负载选择LRC串联分支，参数为R1欧，L2mH，Cinf；以及输入、输出接地模块和相关的测量和输出模块。MATLABMATLAB应用技术应用技术（5）仿真设置与结果输出）仿真设置与结果输出参照
19、模型图进行电气连线完成模型的建立，仿真算法选择ode15s算法，仿真时间为00.05秒，其他参数为默认值。MATLABMATLAB应用技术应用技术3.4交流调压器及应用仿真1.电阻性负载的交流调压器电阻性负载的交流调压器MATLABMATLAB应用技术应用技术2.电阻电感性负载的交流调压器电阻电感性负载的交流调压器MATLABMATLAB应用技术应用技术3.晶闸管交流调压器的仿真晶闸管交流调压器的仿真MATLABMATLAB应用技术应用技术主要模块参数设置：交流峰值电压为100V、初相位为0、频率为50HZ；晶闸管参数进行设置：Ron=0.001；Lon=0H；Vf=0；Rs=20；Cs=4e
20、-6F，RC缓冲电路Lon=0.01H；负载RLC分支，电阻性负载时，R=2，L=0H，C=inf；脉冲发生器：Pulse 和Pulse1模块中的脉冲周期为0.02s,脉冲宽度设置为脉宽的确10%，脉冲高度为12，脉冲移相角通过“相位角延迟”对话框进行设置。MATLABMATLAB应用技术应用技术4.晶闸管单相交流调压电路的仿真结果晶闸管单相交流调压电路的仿真结果仿真算法选择为ode23tb算法，仿真时间设置为0-0.03s，开始仿真。给出了移相控制角等于60和120时带电阻负载和电感负载时，负载上的电流、电压波形以及触发脉冲波形。控制角为60时的电阻性负载电流、电压和脉冲波形 控制角120时
21、的电阻性负载电流、电压和脉冲波形MATLABMATLAB应用技术应用技术3.5直流斩波器及应用仿真直流斩波包括降压斩波电路、升压斩波电路，升降压斩波电路。1.降压斩波电路的模型及工作原理降压斩波电路的模型及工作原理tttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoEV+-MRLVDioEMuoiGa)电路图c)电流断续时的波形OOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMMATLABMATLAB应用技术应用技术2.降压式（降压式（Buck）变换器的建模和仿真）变换器的建模和仿真主要参数设置：输入直流电压源Vdc100V。负载并
22、联LRC，设置参数：R=50，C=3e-6F；平波电感串联LRC，参数设置为148e-5H。斩波器选择通用桥臂，功率器件选择IGBT；脉冲发生器模块，周期参数设置为1e-4。MATLABMATLAB应用技术应用技术选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0.0194，停止时间设置为20.8e-3。MATLABMATLAB应用技术应用技术3.升压升压-降压式（降压式（Buck-Boost）变换器的工作原理）变换器的工作原理 nV通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。nV断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极
23、性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形MATLABMATLAB应用技术应用技术n稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即 n当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：n所以输出电压为：升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形MATLABMATLAB应用技术应用技术4.升压升压-降压式（降压式（Buck-Boost）变换器的仿真）变换器的仿真 MATLABMATLAB应用技术应用技术 Buck-Boost变换器中IGBT电流、电感电流、二极管和负载电压波形 MATLABMATLAB应用技术应用技术此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢