常用电力电子器件特性测试

实验二：常用电力电子器件特性测试

（一）实验目的

（1）掌握几种常用电力电子器件（SCR、GTO、MOSFET、IGBT）的工作特性；（2）掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。

（二）实验原理

图1.MATLAB电力电子器件模型

MATLAB电力电子器件模型使用的是简化的宏模型，只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符。MATLAB电力电子器件模型主要仿真了电力电子器件的开关特性，并且不同电力电子器件模型都具有类似的模型结构。

模型中的电阻Ron和直流电压源Vf分别用来反映电力电子器件的导通电阻和导通时的门槛电压。串联电感限制了器件开关过程中的电流升降速度，模拟器件导通或关断时的动态过程。MATLAB电力电子器件模型一般都没有考虑器件关断时的漏电流。

在MATLAB电力电子器件模型中已经并联了简单的RC串联缓冲电路，在参数表中设置，名称分别为Rs和Cs。更复杂的缓冲电路则需要另外建立。对于MOSFET模型还反并联了二极管，在使用中要注意，需要设置体内二极管的正向压降Vf和等效电阻Rd。对于GTO和IGBT需要设置电流下降时间Tf和电流拖尾时间Tt。

MATLAB的电力电子器件必须连接在电路中使用，也就是要有电流的回路，

但是器件的驱动仅仅是取决于门极信号的有无，没有电压型和电流型驱动的区别，也不需要形成驱动的回路。尽管模型与实际器件工作有差异，但使MATLAB电力电子器件模型与控制连接的时候很方便。MATLAB的电力电子器件模型中含有电感，因此具有电流源的性质，所以在模块参数中还包含了IC即初始电流项。此外也不能开路工作。

含电力电子模型的电路或系统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ode23tb、ode15s。电力电子器件的模块上，一般都带有一个测量输出端口，通过输出端m可以观测器件的电压和电流。本实验将电力电子器件和负载电阻串联后接至直流电源的两端，给器件提供触发信号，使器件触发导通。

（三）实验内容

（1）在MATLAB/Simulink中构建仿真电路，设置相关参数。

（2）改变器件和触发脉冲的参数设置，观察器件的导通情况及负载端电压、器件电流的变化情况。

（四）实验过程与结果分析

1．仿真系统

Matlab平台

2．仿真参数

（1）Thyristor参数设置：

直流源和电阻参数：

图2器件和触发脉冲参数：

图3改变器件和触发脉冲参数：

图4（2）GTO参数设置：

器件和触发脉冲参数：

图5改变器件和触发脉冲参数：

图6（3）MOSFET参数设置：

器件和触发脉冲参数：

图7改变器件和触发脉冲参数：

图8（4）IGBT参数设置：

器件和触发脉冲参数：

图9改变器件和触发脉冲参数：

图10

3．仿真波形与分析

（1）Thyristor的仿真模型和仿真波形如下：

图11、Thyristor的仿真模型

图12、Thyristor的仿真波形1

图13、Thyristor的仿真模型和仿真波形2

波形分析：Thyristor为半控型器件，触发脉冲只能触发导通，无法使其关断。器件的电压和负载端电压由器件的导通电阻和负载的电阻值按分压定律确定。若存在导通电感，则导通电流存在一个缓慢上升直至稳定的过程，比较接近于器件的实际导通情况。

（2）GTO的仿真模型和仿真波形如下：

图14、GTO的仿真模型

图15、GTO的仿真波形1

图16、GTO的仿真波形2

波形分析：GTO为全控型器件，触发脉冲既能触发导通，又能使其关断。触发导通的时间取决于触发脉冲的占空比，改变触发脉冲的占空，器件触发导通的时间随之变化。器件关断时，导通电流骤增，形成一个小尖峰，完全关断后电流变为0。

（3）MOSFET的仿真模型和仿真波形如下：

图17、MOSFET的仿真模型

图18、MOSFET的仿真波形1

图19、MOSFET的仿真波形2

波形分析：MOSFET为全控型器件，触发脉冲既能触发导通，又能使其关断。触发导通的时间取决于触发脉冲的占空比，改变触发脉冲的占空，器件触发导通的时间随之变化。改变MOSFET的导通电感的值，电流依然能很快达到稳定，不存在一个缓慢的上升过程。

（4）IGBT的仿真模型和仿真波形如下：

图20、IGBT的仿真模型

图21、IGBT的仿真波形1

图22、IGBT的仿真波形2

波形分析：IGBT为全控型器件，触发脉冲既能触发导通，又能使其关断。触发导通的时间取决于触发脉冲的占空比，改变触发脉冲的占空，器件触发导通的时间随之变化。改变导通电感的值，导通电流存在一个缓慢上升的过程，并且不存在小尖峰。

4．结论

（1）对于半控型器件，触发脉冲只能使其导通，没法使其关断；对于全控型器件，触发脉冲既能使其导通，又能使其关断。

（2）改变触发脉冲的参数或者改变电力电子器件的参数，可以改变器件导通电压的波形和导通电流的波形。

（3）在用MATLAB进行电路仿真时，应该合理设置电力电子器件的参数，才能得到理想的仿真效果。