电力电子器件电路建模与计算机仿真分析课件
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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。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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）。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
计算机仿真的好处：
一. 仿真可以节省人力、物力、财力
•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。
•对于新的电路和参数（器件新的裕度）进行实验，电
定部分，对于实际系统这是不可能的。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
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
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
整流
逆变
• 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；
•仿真时，可以简化部分电路，从而研究电路中的某一特
V4
0
30 0
R6
M1
V5 10 R18 10k
R24
M2
V6 10 R23 10k
IRFP460
C18 1.2n
L2 1
10uH 2
C19 1.2n
TN33_20_11_2P90
R1
TX11
L3 2
0. 1
5uH
L4
1
2
3uH
R4
R5
0.1
10meg
R2 200
C3 500p
R20
M4
D14
C20
包括：PSpice，Saber，Matlab
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
参考文献：
请登陆：
“电力电子器件电路建模与计算机仿真分析” 讨论区
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
V7
10
800p
R19
10k
C22
2 u
R22
M3
V8
10 R21
10k
D15
C21 800p
Vp
V1 = 0
V1
V2 = 300
TD = 1u
TR = 25n
TF = 25n
PW = 4u
PER = 12u
V1 = 0
V2
V2 = -300
TD = 7u
TR = 25n
TF = 25n
PW = 4u
三相
* + -
ia ib ic
Sa Sb Sc
电流 调节器
励磁
ids* 速度控制器
iqs*
d/dt
isa* isb* isc*
abc d-q
一个电力电子系统图
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
永磁同 步电机
位置 传感器
Bode Diagram 100
Magnitude (dB)
50
0
Phase (deg)
路拓扑的变化和实验均无需成本。
•能大幅度缩减所需时间，并能完成电路、系统的多次
运行实验。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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。
-50 0
பைடு நூலகம்
-45
-90
-135
-180
1
2
3
4
5
6
10
10
10
10
10
10
Frequency (rad/sec)
增益和相位波特图
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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：
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
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
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
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
PER = 12u
0
Vdc
0
L1
1
2
1.2mH
D1
D2
100u
R10
C5 500
V3 300
0
D4
D5
一个电路层次的电路模型图
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
20A
0A
SEL>> -20A 400V
I(L3)
I(R23)*20
0V
-400V
4.90ms
4.91ms
4.92ms
V(R5:2,L4:1) V(TX3:1,C18:1)
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。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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）。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
计算机仿真的好处：
一. 仿真可以节省人力、物力、财力
•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。
•对于新的电路和参数（器件新的裕度）进行实验，电
定部分，对于实际系统这是不可能的。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
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
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
整流
逆变
• 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；
•仿真时，可以简化部分电路，从而研究电路中的某一特
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R6
M1
V5 10 R18 10k
R24
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V6 10 R23 10k
IRFP460
C18 1.2n
L2 1
10uH 2
C19 1.2n
TN33_20_11_2P90
R1
TX11
L3 2
0. 1
5uH
L4
1
2
3uH
R4
R5
0.1
10meg
R2 200
C3 500p
R20
M4
D14
C20
包括：PSpice，Saber，Matlab
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
参考文献：
请登陆：
“电力电子器件电路建模与计算机仿真分析” 讨论区
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
V7
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800p
R19
10k
C22
2 u
R22
M3
V8
10 R21
10k
D15
C21 800p
Vp
V1 = 0
V1
V2 = 300
TD = 1u
TR = 25n
TF = 25n
PW = 4u
PER = 12u
V1 = 0
V2
V2 = -300
TD = 7u
TR = 25n
TF = 25n
PW = 4u
三相
* + -
ia ib ic
Sa Sb Sc
电流 调节器
励磁
ids* 速度控制器
iqs*
d/dt
isa* isb* isc*
abc d-q
一个电力电子系统图
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
永磁同 步电机
位置 传感器
Bode Diagram 100
Magnitude (dB)
50
0
Phase (deg)
路拓扑的变化和实验均无需成本。
•能大幅度缩减所需时间，并能完成电路、系统的多次
运行实验。
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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。
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பைடு நூலகம்
-45
-90
-135
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6
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10
10
10
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10
Frequency (rad/sec)
增益和相位波特图
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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：
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
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
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
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
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
PER = 12u
0
Vdc
0
L1
1
2
1.2mH
D1
D2
100u
R10
C5 500
V3 300
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D4
D5
一个电路层次的电路模型图
电力电子器件电路建模与计算机仿真分析
20A
0A
SEL>> -20A 400V
I(L3)
I(R23)*20
0V
-400V
4.90ms
4.91ms
4.92ms
V(R5:2,L4:1) V(TX3:1,C18:1)