现代电力电子技术(仿真) 2_1.ppt

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1、第二章电力电子器件的建模2.1电力电子器件综述2.2电力电子器件建模的一般概念及方法2.3功率二极管模型的建立2.4SCR、GTO模型的建立2.5MOSFET、IGBT模型的建立当前电力电子器件特点：(1)集成化：多单元胞管并联，即一个器件是由许多子器件所集成。(2)高频化：工作频率已从数千赫到兆赫，标志着电力电子技术已进人高频化时代。(3)全控化：电力电子器件实现全控化，避免了传统电力电子器件关断时所需要的强迫换流电路。(4)低功耗：新材料、新技术在电力电子器件中的应用，如CoolMos、SiC等的应用。2.1电力电子器件综述功率器件的分类与各自优缺点：1按照控制方式分类(1)电

2、流控制型电力电子器件控制极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。典型器件及其应用范围：①电力晶体管及其模块(GTR)适应于500kW以下、380V交流供电的领域；②晶闸管类(SCR,GTO)，这类器件适用于电压更高、电流更大的应用领域。(2)电压控制型电力电子器件电压控制型器件都是用场控原理对其通断状态进行控制的。其共同特点是：①输入阻抗很高，所以控制功率小，控制电路比较简单。②电压控制型器件的工作温度高，抗辐射能力也强。典型器件及其应用范围：①MOSFET适应于中小功率应用领域；② MOS控制型复合器件IGBT、MCT、IGCT等适应于中大功率应用领域。2按照导电载

3、流子的不同分类(1)双极型器件比如：功率硅整流二极管、电力晶体管(GTR)、IGBT、IGCT、MCT和各类晶闸管都是两个、三个或更多PN结组成的电力电子器件，为双极型器件。其共同特点是：①在器件体内有电子和空穴两种载流子导电，存在复合过程；②具有电导调制效应，使其导通压降低；(2)单极型器件MOSFET①在器件体内只有电子或空穴一种载流子导电，不存在复合过程，开关损耗低；②不具有电导调制效应，使其导通压升高；③不存在复合问题，因而工作频率可以很高，可达几百千赫，甚至更高。电力电子器件发展过程单个器件输出功率与工作频率的关系各种器件电压和电流的比较器件功率损耗与工作频率的关系2.2

4、电力电子器件建模的一般概念及方法电力电子器件的建模是电力电子系统仿真研究的一个非常重要的环节。仿真结果是否准确，很大程度上都同模型是否精确直接关联。电系统的其他器件的建模已越来越多。比如磁性元件的建模等。另外，对电力电子系统负载的建模已经成为一个不可忽视的领域。电力电子器件的建模不单单是学术上的要求，而且也是工业上的需要。现在有些国际著名的器件公司，在推出新器件的同时，也同时把该器件的计算机仿真模型提供给器件的使用者。2.2.1在电力电子系统中使用模型的目的1.电路上的需要（最低要求）2.器件模型能够准确提供波形信息3.换向过程4.元器件张力5.功率消耗6.设计器件缓冲电路的需要理

5、想开关与功率开关器件的区别电力电子器件换向时的波形图2.2.2一般电力电子器件模型三种形式一、简单模型这种模型不能表达一个器件的准确的信息，只能执行该器件的最基本的功能（如开关功能）。一般用在系统层次仿真和要求不高的电路层次的仿真中，优点是突出系统和电路的特性和表现，节省仿真时间。二、一般模型模型有较复杂的结构，能够较准确反映出器件的主要特性和功能，一般用在电路层面的仿真分析，仿真真实度和节省仿真时间都居中。大多数的仿真软件都采用这种模型。三、精确模型精确模型结构和数学表达式都非常复杂，精确模型考虑的因素较多。要求模型能够准确反映器件的真实特性。主要用于提供器件的换向过程、波形信息

6、、器件张力、功率消耗等。在设计器件的吸收电路时，精确模型是非常有用的。对于一般型和精确型的的电力电子器件模型又可分为两类：1.子电路型电力电子器件模型所谓的子电路模型是在一些可利用的电路仿真软件中已经建立的传统器件模型同一些无源器件、开关、受控电源等结合所构成的器件模型。2.数值型电力电子器件模型数值型电力电子器件模型的建模是直接根据器件的物理特性进行建模，所以又称功率半导体器件物理建模。2.2.3电力电子器件建模的方法一、电力电子器件建模需考虑的问题1.电阻系数的调制区域边界X1到Xr，面积为A的区域电阻由下式表：这里n和p分别是电子和空穴的密度，mn和mp是载流子的迁移率2.电

7、荷存储量3.MOS电容4.电热交互作用5.击穿二、电力电子器件建模的建模方法电力电子器件有各种各样电路模型，所以也存在许多建模方法。下面我们主要在子电路模型和数值模型这两种模型形式加以讨论。1.子电路建模法这种模型一般都建立在已有的通用电路仿真平台上，根据需要建模的电力电子器件特性，利用仿真平台器件库中已有的器件，搭出满足电力电子器件器件静态和动态特性模型来。一个简单的功率MOSFET子电路模型一个较复杂的功率MOSFET子电路模型2.数值建模法数值模型一般是直接利用