电力电子器件、电路建模与计算机仿真分析

1
2
R4 0.1
一个电路层次的电路模型图
20A
0A
SEL>> -20A I(L3) 400V I(R23)*20
0V
-400V 4.90ms
4.92ms 4.91ms V(R5:2,L4:1) V(TX3:1,C18:1)
4.93ms
4.94ms
4.95ms Time
4.96ms
4.97ms
4.98ms
Mechanical ABAQUS
Reliability CADMP
输入器件产品 各种参数
More automation 自动化流水生产线
输入电路产品 各种参数
Automatic Assembly Line 自动化组装
图1.3.4 Matlab软件界面
3．电力电子系统的综合自动化仿真 这种方法综合各种不同应用软件于一体，使得各个 应用程序在“程序流程控制软件” 的控制下依次进行仿 真，最终得到仿真结果。 优点：使得一个实际中的电力电子系统的分析、设计、 论证、实验、生产以及成本控制等众多流程全部自动化， 使得产品的设计生产周期大大缩短。 缺点：这是一种商业化的控制方法，并不全部适用于科 学研究中。而且由于各个应用程序均出自于不同的软件 公司，因此“程序流程控制软件” 的开发非常困难。
V4 30 0 Vp R20 C18 1.2n V7 10 R19 10k M4 D14 C20 800p
0 R6 V5 10
IRFP460 M1 V1 = 0 V2 = 300 TD = 1u TR = 25n TF = 25n PW = 4u PER = 12u V1 = 0 V2 = -300 TD = 7u TR = 25n TF = 25n PW = 4u PER = 12u
参考文献：
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“电力电子器件电路建模与计算机仿真分析” 讨论区
第一部分 概论
1.1 计算机仿真技术产生的背景和意义
电力电子电路和系统的分析和设计主要有三种途径：
1）实验样机型 2）分析型 3）仿真型
计算机仿真的好处：Fra bibliotek一. 仿真可以节省人力、物力、财力
一个MOSFET仿真模型
1.2.5（b)
一个IGBT仿真模型测试电路
1.2.6（a)
测量和仿真的IGBT的静态特性
1.2.6（b)
测量和仿真的IGBT的动态特性
1.3 电力电子电路的仿真分析方法和手段的进展简介
电力电子系统的仿真就是以计算机为工具，对电力电子 系统进行设计，并在计算机上运行这个设计，输出运行结果， 并对结果进行分析，评价系统的各部分和系统整体的性能和 表现的过程。这个设计可以是结构上的，也可以是参数上的 设计。
2.解析建模仿真方法
解析建模法是指用解析表达式来描述开关电路特性的 建模方法，用解析建模法所得的结果的优点是速度快、直 观明了、精确，可用线性电路和古典控制理论对功率变换 器电路进行稳态和小信号分析。物理概念不清楚。
状态空间平均法（稳态和动态小信号的解析分析，简 单、物理概念清楚，分析精度差）、符号分析法（能够求 出状态变量的纹波表达式）、离散时域建模法（时变的非 线性模型，这种模型即可用于小信号分析又可用于大信号 分析）、传输线模型（高频开关分析）、PFC建模（有源 功率校正）。
•仿真时，可以简化部分电路，从而研究电路中的某一特
定部分，对于实际系统这是不可能的。
三. 借助仿真，可以更有效的工作
• 可以观察到器件和电路在各种条件下的工作性能 • 可以检验处于电路设计初始阶段的各种决策 • 有时计算机仿真是唯一可行或唯一安全的分析和评价技 术 • 借助仿真，可以拥有各种高功率设备和测量仪器仪表 • 计算非线性电路的平均功率、有效值、功率因数等，而
电力电子系统仿真分析方法主要有两种： 1. 个别仿真分析方法 根据具体的需要，自己编制软件，计算和分析模型电路。 优点是针对性强，仿真结果精确、真实。节省仿真时间。 缺点是要求有高水平的数学、建模、电路理论和计算机 编程等能力，仿真程序的通用性较差，不便于推广运用。
2.通用电力电子仿真平台仿真分析方法
4.99ms
5.00ms
仿真结果
三、器件层面
对电力电子器件的建模也是电力电子系统仿真的一 个重要方面，建立起一个精确的器件模型是非常困难的。 器件模型分为三种： 1.简单模型 2.一般模型 3.精确模型
D
RD V GD G RG C
GD
V DS
JD
C DS
CGS VGS RS S
1.2.5（a)
借助现有的电力电子仿真软件平台进行仿真分析。优 点是在这样的仿真平台上，有各种元器件的模型，用这些 器件的模型可以建立各种各样拓扑结构的电力电子电路， 建立各种电路分析方式（如交流分析、直流分析、暂态分 析等），方便地观测仿真结果，方便地改变电路参数。使 用者只要掌握软件的使用方法，无需理解电路建模原理和 其运算分析方法，不必关心方程的解法，就能得到较满意 的结果。
现代电力电子技术
电力电子器件、电路建模
与计算机仿真分析 李浩昱
教学安排
第一部分 概论 第二部分 电力电子器件及其建模 二极管、GTO、SCR 、MOSFET、IGBT 第三部分 电力电子电路的建模方法
DC-DC电路平均模型、小信号模型
第四部分 电力电子电路仿真平台的介绍和使用
包括：PSpice，Saber，Matlab
图1.3.1 Pspice的仿真界面
图1.3.2 Pspice的仿真结果
(2) Saber 软件
Saber软件十分适用数字—模拟混合电路的仿真分析， 电力电子电路往往正是这样的电路。Saber十分适合电力 电子系统的仿真。Saber包括各种分析技术，它们是：电 子、电力电子、机电、机械、光电、光学、液压控制、系 统离散数字系统等。Saber有包括电力电子器件在内非常 全面的元器件库。Saber可进行的分析有：直流工作点分 析、暂态分析、交流小信号频率响应分析、零极点分析、 频谱分析、参数分析、直流传输分析、统计分析应力分析、 故障分析等。Saber还有硬件描述语言MAST。
50
0
-50 0 -45 -90 -135 -180 10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
Frequency (rad/sec)
增益和相位波特图
二、电路层面 在这一层次上是对电力电子系统中的主电路的结构进 行建模，在此模型上进行仿真分析用来试验、模拟待实现 电路的电性能，其目的是准确预测电路的性能。 电路的建模分成两大类： 1.电路建模仿真方法 电路建模分析法是属于数字仿真法, 是利用各种各样 的算法对电力电子电路进行数值计算得到某些特性数值解 的方法。数值仿真法可对电路进行全面的分析，在分析和 设计甚至调试中起着重要的作用。
图1.3.3 Saber软件界面
(3) Matlab/Simulink数学计算软件 Matlab（Matrix Laboratory）由Mathworks公司推出的当前 国际上最流行的数学分析软件，是一种以矩阵为基本编程单元 程序设计语言。它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的 数据可视化功能。 由于Matlab有强大的矩阵运算和绘图功能，许多控制界的名 家在自己擅长的专业领域编写了一些具有特殊意义的工具箱 （Toolbox）,如控制工具箱、电力系统工具箱、系统辨识工具 箱、小波信号工具箱、信号处理工具箱等。1992年Mathworks 公司又推出的交互式模型输入与仿真环境Simulink使得Matlab 为控制系统的仿真与CAD应用打开了崭新局面。 利用Simulink的模块的功能，对电力电子系统层面的仿真变得 十分方便和容易。基于Matlab的仿真方法将成为电力电子系 统仿真分析和CAD的重要发展方向。
缺点是仿真结果不够精确，个性化差，仿真时间较
长。
主要有下面的几种软件：
(1) Pspice通用电路仿真软件 Pspice应用改进的节点分析法建立电路 方程（MNA），能进行直流分析（包括直流工 作点、直流转移特性、直流传输曲线、直流 灵敏度分析等），交流分析（包括电路噪声 和失真分析）和大信号暂态分析（包括离散 傅立叶分析）。 Pspice输出内容可包括：直流输出、交流 输出、暂态输出、噪声输出等，也可包括任 意节点的电压、支路电流。输出可采用数据 和曲线形式。
这在硬件电路中是难以实现的
• 能够对电力电子系统的结构和参数进行优化设计 • 进行一些特殊的分析，比如Monte Carlo分析，最优化
分析等
1.2 电力电子电路建模理论和方法的发展概况
现在的电力电子系统的建模和仿真基本上建立 以下三个层面上：
一、系统层面 这一层面是整个电力电子系统的最高层面，主要研究电 力电子系统控制系统的建模和仿真问题，在这一层面主要关 心的是系统调节器的设计和分析，注重系统的稳定性分析和 校正环节的确定等。在这个层面上涉及到的电路和器件大都 是非常简单的模型，系统层面的仿真最主要的目的是确定整 个的电力电子系统的全部设计方案是否合理
次运行实验。
二. 仿真可以实现许多实验不能或难以实现的功能
•
仿真能在各种假定的条件下，甚至是在目前无法实现 的条件下，对电路进行研究。如不管是考虑安全因素还是 成本，实验室里都不宜做的破坏性实验。但是仿真却可以 做各种故障和非正常性的实验。
• 在研究一个系统的方案的初期，可以将影响系统的一
些次要因素去掉，如杂散电容、漏电感等，以免它们对系 统的基本原理和性能产生影响，从而混淆了对系统的正确 理解。但在制作一个实际系统中却作不到这一点。一旦系 统出现异常，有时你甚至不知道问题出自主电路设计问题 还是寄生电路引起的问题；
•进行一次详尽的仿真分析，比制作实际系统和样机
节省大量的经费。而且，制作实际系统需要计算元器件 的定额，但仿真就不用。仿真还能发现系统存在的问题、 确定最优参数，从而增加试验样机一次成功的可能性。