电子装置设计4

第一章 电力电子与MATLAB软件的介绍 一、电力电子概况 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。 电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向 利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些 装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。 二、MATLAB软件介绍 MATLAB 是一个功能强大的常用数学软件, 它不但可以解决数学中的数值计算问题, 还可以解决符号演算问题, 并且能够方便地绘出各种函数图形。。由于MATLAB带有一些强大的具有特殊功能的工具箱，而且随着近年来它的版本不断升级，所含的工具箱功能越来越丰富，工具越来越多，应用范围也越来越广，涵盖了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等各领域，MATLAB自1984年由美国的MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为国际最优秀的科技应用软件之一。 MATLAB中的仿真集成环境Simulink工具箱，是进行系统分析与射击队有力工具。Simulink是一个图形化的建模工具，具有两个显著功能：SIMU（仿真）和LINK（连接）。用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统；既可以进行连续系统，也可以进行离散系统仿真。 Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在 Simulink 平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了Simulink，Simulink的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB 4．0／Simulink1．0版到2001年的MATLAB 6．1／Simulink 4．1版2002年即推出了MATLAB6．5 ／Simulink 5．0版。MATLAB 已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算 和仿真平台。 Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB 不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink 的模块库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。现在Simulink模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSP Blocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏 览器(Simulink Library Browser)的目录，就可以看到这些模块。 Simulink创建模型、仿真的过程方法介绍如下： 1、Simulink建模 一个典型的Simulink模型由信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示 模块三个类型模块构成。其基本特点有： 1)Simulink提供许多的Scope（示波器）接收器模块，使得Simulink进行仿真具有图形化显示效果； 2)Simulink模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统； 3)Simulink提供对子系统进行封装功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。 2、Simulink仿真基本过程 1)打开一个空白的Simulink模块窗口； 2)进入Simulink模块库浏览界面，将相应模块库中所需的模块拖拉到编辑窗口里； 3)修改编辑窗口中模块参数； 4)将各模块按给定框图连接，搭建所需系统模型；仿真观察结果，修正参数； 5)保存模型。 第二章 电力电子器件介绍 电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。同我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可以分为电真空器件和半导体器件两类。 由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它一般具有如下的特征： 1)电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 2）因为处理的电功率较大，所以为了减少本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。 3）在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 4）尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，因而为了保证不致于损耗散热的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计，而且在其工作时一般都还需要安装散热器。 此外，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和电力电子器件为核心的组成一个系统。

一．电力二极管特性介绍

不可控器件——电力二极管(Power Diode)自20世纪50年代初期就获得应

用，当时也被称为半导体整流器(Semiconductor Rectifier——SR)。虽然是不可控器件，但结构和原理简单，工作可靠。 电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。 从外形上看，主要有螺栓型平板型两种封装。

a)结构图 b) 电器图形符号 1、电力二极管特性 1)静态特性 电力二极管的基本特性——电力二极管的伏安特性： 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。 2 )动态特性 动态特性——因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。 开关特性——反映通态和断态之间的转换过程。 关断过程： a）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态； b）在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲

a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置 开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。 2、电力二极管测试单元电路 电力二极管测试单元电路就是通过基本电路验证电路二极管的工作特性。当二极管导通时，二极管上有电流流过，但没有电压；当二极管截止时，二极管上没有电流流过，但二极管两端有电压。

IOIF

UTOUFU

b)UFP

uiiF

uF

tfrt02V

a)

IF

UF

tFt0trrtdtft1t2tUR

URP

IRP

diFdt

diRdt