Matlab 电力电子仿真教程
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电力电子开关模块一般都带有一个测量输出端M，通过 它可以输出器件上的电压和电流值，不仅观测方便，而且可 以为选择器件的耐压性能和电流提供依据。
5.1.1 二极管模块 1. 原理与图标 图5-2所示为二极管模块的电路符号和静态伏安特性。
当二极管正向电压VAK大于门槛电压VF时，二极管导通；当 二极管两端加以反向电压或流过管子的电流降到0时，二极 管关断。
(5) “缓冲电路阻值”(SNUBBER RESISTANCE RS)文 本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为Ω。缓冲电阻值设 为INF时将取消缓冲电阻。
(6) “缓冲电路电容值”(SNUBBER CAPACITANCE CS) 文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值 设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为INF时，缓冲 电路为纯电阻性电路。
图5-4 二极管模块参数对话框
(3) “正向电压”(FORWARD VOLTAGE VF)文本框： 单位为V，当二极管正向电压大于VF后，二极管导通。
(4) “初始电流”(INITIAL CURRENT IC)文本框：单位 为A，设置仿真开始时的初始电流值。通常将初始电流值设 为0，表示仿真开始时二极管为关断状态。设置初始电流值 大于0，表示仿真开始时二极管为导通状态。如果初始电流 值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对 电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦的事 情，所以该选项只适用于简单电路。
第5章 电力电子电路仿真分析
5.1 电力电子开关模块 5.2 桥式电路模块 5.3 驱动电路模块 习题
5.1 电力电子开关模块
SIMULINK的SIMPOWERSYSTEMS库提供了常用的电 力电子开关模块，各种整流、逆变电路模块以及时序逻辑驱 动模块。SIMULINK库中的各种信号源可以直接驱动这些开 关单元和模块，因此使用这些元件组建电力电子电路并进行 计算机数值仿真很方便。为了真实再现实际电路的物理状态， MATLAB对几种常用电力电子开关元件的开关特性分别进 行了建模，这些开关模型采用统一结构来表示，如图5-1所 示。
变化过程进行模拟。
由于电力电子器件在使用时一般都并联有缓冲电路，因 此MATLAB电力电子开关模块中也并联了简单的RC串联缓 冲电路，缓冲电路的阻值和电容值可以在参数对话框中设置， 更复杂的缓冲电路则需要另外建立。有的器件(如MOSFET) 模块内部还集成了寄生二极管，在使用中需要加以注意。
由于MATLAB的电力电子开关模块中含有电感，因此 有电流源的性质，在没有连接缓冲电路时不能直接与电感或 电流源连接，也不能开路工作。含电力电子模块的电路或系 统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ODE23TB、 ODE15S，这样可以得到较快的仿真速度。如果需要离散化 电路，必须将电感值设为0。
图5-2 功率二极管模块的电路符号和静态伏安特性 (a) 电路符号；(b) 静态伏安特性
Hale Waihona Puke Baidu
SIMPOWERSYSTEMS库提供的二极管模块图标如图5-3所 示。
图5-3 二极管模块图标
2. 外部接口 二极管模块有2个电气接口和1个输出接口。2个电气接 口(A，K)分别对应于二极管的阳极和阴极。输出接口(M)输 出二极管的电流和电压测量值[IAK，VAK]，其中电流单位为 A，电压单位为V。 3. 参数设置 双击二极管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-4 所示。在该对话框中含有如下参数： (1) “导通电阻”(RESISTANCE RON)文本框：单位为 Ω，当电感值为0时，电阻值不能为0。 (2) “电感”(INDUCTANCE LON)文本框：单位为H， 当电阻值为0时，电感值不能为0。
(2) 设置参数和仿真参数。二极管模块采用图5-4所示的 默认参数。交流电压源VS的频率等于50 HZ、幅值等于100 V。 串联RLC支路为纯电阻电路，其中R = 1 Ω。
打开菜单[SIMULATION>CONFIGURATION PARAMETERS]，选择ODE23TB算法，同时设置仿真结束 时间为0.2 S。
图5-1 电力电子开关模块
图5-1中，开关元件主要由理想开关SW、电阻RON、 电感LON、直流电压源VF组成的串联电路和开关逻辑单元来 描述。电力电子元件开关特性的区别在于开关逻辑和串联电
路参数的不同，其中开关逻辑决定了各种器件的开关特征；
模块的串联电阻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电压降；串联电感LON限制了器 件开关过程中的电流升降速度，同时对器件导通或关断时的
解：(1) 按图5-5搭建仿真电路模型，选用的各模块的名 称及提取路径见表5-1。
图5-5 例5.1的仿真电路图
表5-1 例5.1仿真电路模块的名称及提取路径
模块名 功率二极管模块 D1、D2、D3、D4 交流电压源 Vs 串联 RLC 支路 R 电压表模块 VR 电流表模块 IR 信号分离模块 Demux 示波器 Scope
提取路径 SimPowerSystems/Power Electronics SimPowerSystems/Electrical Sources SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Measurements SimPowerSystems/Measurements Simulink/Signal Routing Simulink/Sinks
(7) “测量输出端”(SHOW MEASUREMENT PORT)复 选框：选中该复选框，出现测量输出接口M，可以观测二极 管的电流和电压值。
【例5.1】如图5-5所示，构建简单的二极管整流电路， 观测整流效果。其中电压源频率为50 HZ，幅值为100 V， 电阻R为1 Ω，二极管模块采用默认参数。
(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器 模块，得到二极管D1和电阻R上的电流电压如图5-6所示。图 中波形从上向下依次为二极管电流、二极管电压、电阻电流、 电阻电压。
5.1.1 二极管模块 1. 原理与图标 图5-2所示为二极管模块的电路符号和静态伏安特性。
当二极管正向电压VAK大于门槛电压VF时，二极管导通；当 二极管两端加以反向电压或流过管子的电流降到0时，二极 管关断。
(5) “缓冲电路阻值”(SNUBBER RESISTANCE RS)文 本框：并联缓冲电路中的电阻值，单位为Ω。缓冲电阻值设 为INF时将取消缓冲电阻。
(6) “缓冲电路电容值”(SNUBBER CAPACITANCE CS) 文本框：并联缓冲电路中的电容值，单位为F。缓冲电容值 设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为INF时，缓冲 电路为纯电阻性电路。
图5-4 二极管模块参数对话框
(3) “正向电压”(FORWARD VOLTAGE VF)文本框： 单位为V，当二极管正向电压大于VF后，二极管导通。
(4) “初始电流”(INITIAL CURRENT IC)文本框：单位 为A，设置仿真开始时的初始电流值。通常将初始电流值设 为0，表示仿真开始时二极管为关断状态。设置初始电流值 大于0，表示仿真开始时二极管为导通状态。如果初始电流 值非0，则必须设置该线性系统中所有状态变量的初值。对 电力电子变换器中的所有状态变量设置初始值是很麻烦的事 情，所以该选项只适用于简单电路。
第5章 电力电子电路仿真分析
5.1 电力电子开关模块 5.2 桥式电路模块 5.3 驱动电路模块 习题
5.1 电力电子开关模块
SIMULINK的SIMPOWERSYSTEMS库提供了常用的电 力电子开关模块，各种整流、逆变电路模块以及时序逻辑驱 动模块。SIMULINK库中的各种信号源可以直接驱动这些开 关单元和模块，因此使用这些元件组建电力电子电路并进行 计算机数值仿真很方便。为了真实再现实际电路的物理状态， MATLAB对几种常用电力电子开关元件的开关特性分别进 行了建模，这些开关模型采用统一结构来表示，如图5-1所 示。
变化过程进行模拟。
由于电力电子器件在使用时一般都并联有缓冲电路，因 此MATLAB电力电子开关模块中也并联了简单的RC串联缓 冲电路，缓冲电路的阻值和电容值可以在参数对话框中设置， 更复杂的缓冲电路则需要另外建立。有的器件(如MOSFET) 模块内部还集成了寄生二极管，在使用中需要加以注意。
由于MATLAB的电力电子开关模块中含有电感，因此 有电流源的性质，在没有连接缓冲电路时不能直接与电感或 电流源连接，也不能开路工作。含电力电子模块的电路或系 统仿真时，仿真算法一般采用刚性积分算法，如ODE23TB、 ODE15S，这样可以得到较快的仿真速度。如果需要离散化 电路，必须将电感值设为0。
图5-2 功率二极管模块的电路符号和静态伏安特性 (a) 电路符号；(b) 静态伏安特性
Hale Waihona Puke Baidu
SIMPOWERSYSTEMS库提供的二极管模块图标如图5-3所 示。
图5-3 二极管模块图标
2. 外部接口 二极管模块有2个电气接口和1个输出接口。2个电气接 口(A，K)分别对应于二极管的阳极和阴极。输出接口(M)输 出二极管的电流和电压测量值[IAK，VAK]，其中电流单位为 A，电压单位为V。 3. 参数设置 双击二极管模块，弹出该模块的参数对话框，如图5-4 所示。在该对话框中含有如下参数： (1) “导通电阻”(RESISTANCE RON)文本框：单位为 Ω，当电感值为0时，电阻值不能为0。 (2) “电感”(INDUCTANCE LON)文本框：单位为H， 当电阻值为0时，电感值不能为0。
(2) 设置参数和仿真参数。二极管模块采用图5-4所示的 默认参数。交流电压源VS的频率等于50 HZ、幅值等于100 V。 串联RLC支路为纯电阻电路，其中R = 1 Ω。
打开菜单[SIMULATION>CONFIGURATION PARAMETERS]，选择ODE23TB算法，同时设置仿真结束 时间为0.2 S。
图5-1 电力电子开关模块
图5-1中，开关元件主要由理想开关SW、电阻RON、 电感LON、直流电压源VF组成的串联电路和开关逻辑单元来 描述。电力电子元件开关特性的区别在于开关逻辑和串联电
路参数的不同，其中开关逻辑决定了各种器件的开关特征；
模块的串联电阻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电压降；串联电感LON限制了器 件开关过程中的电流升降速度，同时对器件导通或关断时的
解：(1) 按图5-5搭建仿真电路模型，选用的各模块的名 称及提取路径见表5-1。
图5-5 例5.1的仿真电路图
表5-1 例5.1仿真电路模块的名称及提取路径
模块名 功率二极管模块 D1、D2、D3、D4 交流电压源 Vs 串联 RLC 支路 R 电压表模块 VR 电流表模块 IR 信号分离模块 Demux 示波器 Scope
提取路径 SimPowerSystems/Power Electronics SimPowerSystems/Electrical Sources SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Measurements SimPowerSystems/Measurements Simulink/Signal Routing Simulink/Sinks
(7) “测量输出端”(SHOW MEASUREMENT PORT)复 选框：选中该复选框，出现测量输出接口M，可以观测二极 管的电流和电压值。
【例5.1】如图5-5所示，构建简单的二极管整流电路， 观测整流效果。其中电压源频率为50 HZ，幅值为100 V， 电阻R为1 Ω，二极管模块采用默认参数。
(3) 仿真及结果。开始仿真。在仿真结束后双击示波器 模块，得到二极管D1和电阻R上的电流电压如图5-6所示。图 中波形从上向下依次为二极管电流、二极管电压、电阻电流、 电阻电压。