一种新的电力电子线路仿真方法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.06.015 第18卷第6期 北京科技大学学报 Vol.18 No.6 1996年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1996 种新的电力电子线路仿真方法 钟家桢戈素贞 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 镝要在对电子线路通用分析软件MC3开发的基础上，讨论了SCR准开关模型和功率开关模 型，完成了电力电子线路的仿真， 关键词电力电子线路，SCR开关，模型化，仿真 中图分类号TN342.2 电力电子线路中有功率半导体器件，如SCR等.但是，在常见的通用电子线路分析软件 中（如SPICEⅡ，MC3等）一般不包括功率半导体器件的模型，要想采用这些软件实现对电力 电子线路仿真必须先建立适合其仿真软件的SC模型.目前，对电力电子线路的仿真多是通 过SPICEⅡ软件实现的，所以本文采用另一种MC3软件对电力电子线路的仿真进行了研究. 1SCR准开关模型及其电路的仿真 在SCR的众多模型中，SCR双三极管模型（见图1）是较实用 的一种.该模型中R,R。用来限制门极的触发电流.两个三极管 Q和Q,须选定的参数有：①两个三极管的电流放大系数an与a。: ②Q,的发射极体电阻和接触电阻R;③两个三极管的反向饱和电 G 流I,和12：④正向渡越时间t⑤Q,的集电结电容C2· R 在双三极管模型的基础上，作如下两个假定：①静态时，取导通 电阻R。为0，因此相应的模型参数R,=0:②动态时，假设关断时 间和导通时间足够小，dVd:足够大，因此相应的模型参数t。,和t。2, K C2就可以足够小.仿真结果表明，双三极管模型只须选定一组合 图1SCR准开关模型 适的I和I2B,和p,(保证a,+a2>1),R和R参数，其他参数取 缺省值，就能实现开关功能.在此基础上增加C(SCRJ,结的势累电容，即Q,的发射结电容) 的选取，可使此开关模型适合于含电感负载电路的模拟.C的作用是当SC承受反向电压 而关断时，J结由正偏变成反偏，其结电容（主要是势垒电容）便增加，而形成LC回路，用于贮 存未达到反向峰值电压时电感转换的能量，再加上反映dd的C,(Q,的集电结电容)，实际 上成了准开关模型，使之适用于含电感、电容负载的电路.所以，准开关模型是在双三极管模 型的基础上简化而来的.其各参数的求取公式为：1=12=10以+07910；a,=a2=0.9; 6,=B2=a1/1-a)=9;R。=0.7511Ca0=0.4,d)Vom·(dV1d-;C= 1995-03-25收稿第一作者男57岁副教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 一种新 的 电力 电子线路仿真方法 钟 家祯 戈素 贞 北京科技 大学 自动化信息工 程学 院 ， 北京 摘要 在对 电子 线路 通 用 分 析 软件 开 发 的基 础 上 ， 讨论 了 准开 关 模型 和 功率 开 关 模 型 ， 完成 了 电力 电子线路 的仿真 关键词 电力 电子 线路 ， 开 关 ， 模型化 ， 仿真 中圈分类号 电力 电子 线路 中有 功 率半 导体器件 ， 如 等 但 是 ， 在 常见 的通 用 电子 线 路分析 软件 中 如 ， 等 一般不 包括 功率半 导体器件 的模 型 ， 要 想 采用 这些 软件实现 对电力 电子 线路仿真 必须 先建 立 适合其仿真 软 件 的 模 型 目前 ， 对 电力 电子 线路 的仿真 多 是 通 过 软件 实现 的 ， 所 以 本文 采 用另 一种 软件 对 电力 电子 线路 的仿真 进行 了研究 准开关模型及其 电路 的仿真 在 的 众 多 模 型 中 ， 双 三 极 管模 型 见 图 是 较 实 用 的 一 种 · 该 模 型 中 ， 用 来 限 制 门极 的 触 发 电 流 · 两 个 三 极 管 和 须 选 定 的参 数有 ① 两个三 极 管 的 电流 放 大 系 数 与 。 ② ，的发射 极体 电阻和 接触 电阻 尺 ， ③ 两个三极 管 的反 向饱和 电 流 几 ，和 毛‘④ 正 向渡越 时 间 ，‘⑤ 的集 电结 电容 · 在 双 三 极 管模 型 的基 础 上 ， 作 如 下 两个 假定 ① 静 态时 ， 取 导通 电阻 。 为 ， 因 此 相 应 的模 型 参 数 凡 ② 动 态 时 ， 假 设 关 断 时 间和 导通 时 间足够 小 ， 足 够大 ， 因此相 应 的模 型参数 几 ，和 几， 今就 可 以 足 够 小 · 仿 真 结 果 表 明 ， 双 三 极 管 模 型 只 须 选 定 一 组 合 适 的 几 ，和 凡 ， 卢 ，和 几 保证 “ ， 和 参数 ， 其他参数取 图 准开关模型 缺 省值 ， 就 能 实现 开 关功 能 · 在 此基 础 上 增 加 砚 ， 结 的势 累 电容 ， 即 的 发射结 电容 的选 取 ， 可 使此 开 关模 型 适 合于 含 电感 负载 电路 的模 拟 · 。 ，的作 用 是 当 承 受 反 向 电压 而 关 断 时 ， ，结 由正 偏 变 成 反偏 ， 其结 电容 主要 是 势垒 电容 便增 加 ， 而 形 成 回路 ， 用 于贮 存未 达到 反 向峰值 电压 时 电感 转换 的能量 ， 再加 上 反 映 的 的集 电结 电容 ， 实 际 上 成 了 准 开 关模 型 ， 使 之 适 用 于 含 电感 、 电容 负载 的 电路 所 以 ， 准 开 关模 型是 在 双 三极 管模 型 的基础 上 简化 而 来 的 其 各参数 的求 取 公 式 为 汽 ， 一 爪 一 一 ‘ 。 ” “ ， 一 一 。 一 。 一 一 一 一 。 几 ， 。 仍 一 。 、 ， 丫 。 · 。 ， 一 。 一 一 收稿 第 一 作 者 男 岁 副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．06．015

Vol.18 No.6 钟家桢等：一种新的电力电子线路仿真方法 ·565· 3C2/4(因0.5Ca2≤Ce!≤Ce).公式的推导可参阅文献[2]. 现以KP50型SCR为例用MC3软件，对SCR准开关模型的特性及其整流特性进行仿真. 根据KP50型SCR的参数得到SCR准开关模型的参数. KP50型SCR参数值：，=1V,I=80mA,L=140mA,T=2μs,dy/dt=30V/μs, d/dt=30A/μs. SCR准开关模型参数值：L1=I2=10-16A,B,=B2=9,R。=9Q,R,=28Q,Ce2= 14.46×10-3μF,C1=10.84×10-3μF. 对KP50型SCR的特性及其电路作仿真研究有：①SCR开通时压降的仿真；②维持电流 的仿真；③门极触发电流的仿真；④瞬态特性的仿真；⑤单相半波可控整流电路（电阻性负载 及电感性负载)的仿真；⑥三相零式可控整流电路（电阻性负载及电感性负载）的仿真. 上述仿真结果均于理论分析一致，由于篇幅所限，这里只给出三相零式L负载时，可控 整流仿真电路及波形， 三相零式感性负载电路如图2所示，当导通角为30。时的仿真结果如图3所示.纵坐标 “5V”的意思是第5号结点对地的电 压，其他纵坐标的表示相同. 在实际电路中，为了限制SCR关断40 Q928403 Q928 40 Q2 9 10 928 时的反向电流冲击，阳极主回路必须接 Q Q Q」 人限流电感及在可控硅两端并联过压 保护电路.所以，图2中考虑了限流电 2×105 2×10 2×10 10T 感，20μH和RC吸收支路（电阻取 16 2 17 18 2 402,电容取1F). ①C ⊙ C⊙ 该模型的特点是：①既具有开关模 型的快速性，又祢补了开关模型不能模 图2三相电路模型(a=30°) 拟瞬态的特点；②采用这种电路模型不 需要在计算新的电路时重新进行模型参数的提取，这对线路设计人员使用是很方便的，且能 满足工程设计的精度要求；③由于MC3电路窗分配的内存有限，电路的复杂程度受到限制， 350 350 10 0 20 -350 .350 -10 t/ms t/ms 10r 350c 5 0 0 0 10 -10 -350 t/ms t/ms 图3三相电路棋型的模拟（α=30°） (图中曲线1,2,3,4,5,6,7分别为节点16,17,18,10,2,13,15处V-t的关系)

钟家祯等 一种新 的 电力电子 线路仿真方法 ， 因 ‘ ， ‘ ， · 公 式 的 推 导可 参 阅文献 现 以 卫 型 为例用 软件 ， 对 准开 关模 型 的特性及其整 流特性进行仿真 根据 型 的参数得 到 准开 关模 型 的参数 型 参数值 一 ， 与一 ， 几一 ， 几 一 ， ‘ 一 ， ， 林 准 开 关 模 型 参 数 值 凡 一 毛 一 一 ’ ， 月 ， 一 口 一 ， 一 ， 一 ， 气 · 一 ’ 。 ， ， 一 · 一 ’ 。 · 对 型 的特性 及 其 电路 作 仿真 研究 有 ① 开通 时压 降 的仿真 ② 维持 电流 的仿真 ③ 门极触 发 电流 的仿真 ④ 瞬态特性 的仿真 ⑤ 单相 半 波可控整 流 电路 电阻性 负载 及 电感性 负载 的仿真 ⑥ 三相 零式 可 控 整 流 电路 电阻性 负载及 电感性 负载 的仿真 上 述仿真结果 均 于 理 论分析 一致 ， 由于 篇 幅所 限 ， 这 里 只 给 出三相 零式 双乙 负载 时 ， 可 控 整 流仿真 电路及波形 三相 零式感性 负载 电路 如 图 所 示 ， 当导通 角为 。 时 的仿真 结果如 图 所示 纵坐标 ” 的 意 思 是 第 号 结 点 对 地 的 电 … ‘比 … 竺 竺竺竺 ，目 一 ， 手 沐。 赢翻’ 飞 砚 苏 一 丈二戈鱼 ， 双琦门龙， 占 压 ， 其他 纵坐标 的表示 相 同 在 实 际 电路 中 ， 为 了 限制 关 断 时 的反 向 电流冲击 ， 阳极 主 回路 必须 接 人 限 流 电感 及 在 可 控 硅 两 端 并 联 过 压 保 护 电 路 所 以 ， 图 中考 虑 了 限 流 电 感 ， “ 和 吸 收 支 路 电 阻 取 ， 电容取 “ 该模 型 的特 点是 ① 既具 有 开 关模 型 的快速性 ， 又 称 补 了 开 关模 型 不 能模 拟 瞬态 的特 点 ② 采 用 这种 电路模 型 不 一 ‘ 蛛心 刁 ” 。 月占 六 丫 ‘ 丫 一 里’ 图 三相 电路模型 “ 需 要 在 计算新 的 电路 时重 新 进行模型 参数 的提 取 ， 这 对线路 设计人 员使用是 很方 便 的 ， 且 能 满足 工 程 设计 的精 度 要 求 ③ 由于 电路 窗分 配 的 内存 有 限 ， 电路 的复 杂程度 受 到 限制 ， 一 〕 丫飞 沁 月 万滓 二 日 ， 日 “ 二 乏洛 一 林户 ，、 二 图 中曲线 ， ， ， ， ， ， 图 三相电路模型的模拟 “ 分别 为节点 ， ， ， ， ， ， 处 一 的关 系

·566· 北京科技大学学报 1996年No.6 如用该模型构成三相桥式整流仿真电路就因元器件过多而无法实现. 22种功率开关模型及其整流电路的仿真 SCR可看成是一个受控的开关元件，因此，也可以用功率开关模型对其进行仿真，完成仿 真的关键是要能准确地实现对功率开关的“通”“断”控制.在文献[4,5]中用SPICEⅡ软件仿 真时，其“通”“断”控制是由逻辑判断完成的，而MC3软件自身含有压控、流控和时间控制的 受控开关元件，因此实现仿真更加简便， 第一种SCR开关模型：用MC3元件库中压控开关模拟SCR(见图4《a),只要在控制端的 1,2两结点之间加入或去除控制电压，就能使3,4结点之间的受控开关实现闭合和开断.因 此，用该受控开关及相应的控制信号就能模拟SCR元件. 第二种SCR开关模型：该模型与前者的区别是将“通”态、“断”态各用一个受控开关控 制.通态以10-6Q电阻模拟，断态以10+6Q电阻模拟，见图4(b).1,2两节点间接SCR的触发 信号，3,4两节点之间的开关闭合，SCR导通，10-6Q电阻接人，6,7两节点间流过负载的电 流，当电流≤0.1A(即维持电流的值)，5,4两节点的开关闭合，10+6Ω电阻接人，SCR关断. 两种功率开关模型均可通过外电路求得元件的耐压能力、通流能力及关断时间等，其方 法与“SCR准开关模型”特性仿真类似. (a) (b) 1+● 106 106 6 1+ V3/5/0) I0.1/0/0 2- 2-● d 图4(a)和b)分别为第一种和第二种SCR开关模型 由SCR功率开关模型构成的SCR单相及三相电路的仿真，结果均与理论相符合.这里 仅给出第二种功率开关模型构成的单相半波可控整流电路（图5）.其控制信号由”，提供，它 是一个幅值为5V的矩形波，即图5中纵坐标为“6V”描述的波形；V为外加正弦电压源，即图 10 (a) (b)350m 106 R10 2 -3501 -10 350[ T0.5/0/0 -350 30 -50 t/ms 图5单相半波可控整流电路及电路波形(RL负载，α=30°) (图5b)中的曲线1,2,3,4分别为(a)中节点5,6,1,4处V一t关系)

北 京 科 技 大 学 学 报 年 如 用 该模 型 构成 三相 桥 式整 流仿真 电路 就 因元 器件过多 而 无法 实现 种功率开关模型及其整流电路的仿真 可看成是 一个受控 的开 关元件 ， 因此 ， 也可 以 用 功率开 关模型 对其进行仿真 完成仿 真 的 关键是要 能准确 地 实现 对功率开 关 的 “ 通 ” “ 断 ” 控 制 在 文 献 ， 中用 软件仿 真时 ， 其 “ 通 ” “ 断 ” 控制是 由逻辑判 断完成 的 ， 而 软件 自身含有 压 控 、 流 控 和 时 间控 制 的 受控 开 关元件 ， 因此实现仿真更加 简便 第一 种 开 关模 型 用 元件库中压控开 关模拟 见 图 ， 只要在控制端 的 ， 两 结 点 之 间加 人 或 去 除 控 制 电压 ， 就 能使 ， 结 点之 间 的受 控 开 关 实 现 闭合 和 开断 因 此 ， 用该受控 开 关及相 应 的控制信号就能模拟 元件 第 二 种 开 关模 型 该模 型 与前 者 的 区 别是 将 “ 通 ” 态 、 “ 断 ” 态各 用 一 个受 控 开 关 控 制 通 态 以 一 电阻模拟 ， 断态 以 十 电阻模拟 ， 见 图 ， 两节点 间接 的触发 信号 ， ， 两 节点 之 间 的开 关 闭合 ， 导通 ， 一 “ 电阻 接人 ， ， 两节 点 间流 过 负载 的 电 流 ， 当电流 ‘ 即 维持 电流 的值 ， ， 两节 点 的开 关 闭合 ， 十 电阻接人 ， 关断 两种 功率 开 关模 型 均 可 通 过外 电路 求得元 件 的耐 压 能力 、 通 流 能力 及 关 断时 间等 ， 其方 法 与 “ 准 开 关模 型 ” 特性仿真类 似 了 八” 场 ，︸， ﹀又 、︼一 工 图 和 伪 分别为第一种和 第二种 开关模型 由 功 率开 关模 型 构成 的 单相 及 三 相 电路的仿真 ， 结果 均 与理 论相 符合 这 里 仅给 出第 二 种 功 率开 关模 型 构成 的单相半 波可 控整 流 电路 图 其控 制信号 由 提供 ， 它 是 一个 幅值 为 的矩 形波 ， 即 图 中纵 坐标 为 “ ” 描述 的波形 为外 加 正 弦 电压源 ， 即 图 内︸，丹，、、 ︶、‘︶ 、盔 一 弓 飞双 片 镶哪石 十 墩犷， 飞广 厂、 、 净 三司 卜司 玖 仁、 才义 厂闷 一 “「 ‘－ 山－一 一 一目 图 单相半波可控整流 电路及电路波形 妞乙 负载 ， 。 图 中的曲线 ， ， ， 分别为 中节点 ， ‘ ， ， 处 犷一 关 系

Vol.18 No.6 钟家桢等：一种新的电力电子线路仿真方法 ·567· 5中纵坐标为“5V”描述的波形，SCR两端并有RC吸收支路以及感性负载R和L.图5中纵 坐标为“1V”和“4A”的波形是负载上电压及电流的仿真波形.由图可见，SC℉关断后，负载两 端电压会出现欠阻尼振荡.这是由于SCR关断后，RC吸收保护支路、负载及电源构成一个 RLC二阶电路，整个二阶电路满足条件R2(亿/C©°5即可.但实际电路中为了快速性的要求，动态过程往往处于欠 阻尼状态，所以图5的仿真结果与实际相符. 3结论 本文讨论了两种适合于软件MC3的SCR模型，并利用MC3软件分别对其电力电子电路 进行仿真，仿真结果与理论分析基本一致，这两种模型在仿真时都具有较好的快速性，对于较 复杂的电力电子线路，精度要求不高时，功率开关模型更合适：当电路不太复杂时，又要求得 到一定精度，可考虑用SCR准开关模型. MC3软件进行电路分析时，须对步长和温度进行选定，本文的仿真波形都是在适当的分 析步长和一定的温度下得到的，因为步长或温度不同，对分析的结果有明显的影响. 参考文献 I Lee F C,Chen D Y.A Practical SCR Model for Computer Aided Analysis of Ac Resonant Charg" ing Circuits.in:IEEE Power Specialists Conference,1981.232~243 2艾燃，邹朝忠，欧阳长连.晶闸管模型及其电路的计算机仿真.南京航空学院学报，1981,23(4)：91~97 3高勇，赵旭东，陈治明.电力电子电路计算机辅助设计中的器件模型.电力电子技术，1991(2)：52~56 4 Taib S B,Hulley L N,Wu Z L,Shepherd W.Thyristor Switch Model for Power Electronic Circuit Simulation in Modified Spice 2.IEEE Transactions on Power Electronics,1992,7(3):568 5邢水泉，吴兆麟.电力电子线路的一种仿真方法.电力电子技术，1992(4)：6~11 New Simulation Approach for Power Electronic Circuit Zhong Jiazhen Ge Suzhen College of Automation and Information Engineering.USTB,Beijing 100083 PRC ABSTRACT On the basis of the research and development of general electronic pack- age MC3,"SCR Quasi-witch Model"and "Power Switch Model"are discussed.The simulation of electronic power circuit is performed. KEY WORDS electronic power circuit,SCR switch,modelling,simulation

钟家祯等 一种新 的 电力 电子 线路仿真方法 · · 中纵坐 标 为 “ ” 描述 的波形 ， 两端并 有 吸收支路 以及感性 负载 和 图 中纵 坐 标为 “ ” 和 “ ” 的波形 是 负载上 电压及 电流 的仿真 波形 由图可见 ， 关 断后 ， 负载 两 端 电压 会 出现 欠 阻 尼 振 荡 这 是 由于 关 断后 ， 吸 收 保 护 支 路 、 负 载及 电源 构 成 一 个 二 阶 电路 ， 整 个 二 阶 电路 满足 条件 “ · ， 所 致 如 果 要 消 除 振 荡 ， 只须 修正 支 路 的条 件 使 “ ， 即 可 但 实 际 电路 中为 了快 速 性 的要 求 ， 动 态 过 程 往往 处于 欠 阻尼 状态 ， 所 以 图 的仿真结果 与 实 际相 符 结论 本文讨论 了 两种 适合 于 软件 的 模 型 ， 并利 用 软件分别 对其 电力 电子 电路 进行仿真 ， 仿真 结果 与理论分析基 本 一致 这 两种模 型 在仿真 时都具 有 较好 的快速性 ， 对于 较 复杂 的 电力 电子 线路 ， 精度 要 求不 高 时 ， 功 率 开 关模 型 更 合适 当电路 不 太 复 杂 时 ， 又 要 求得 到 一定精度 ， 可考 虑 用 准开 关模 型 软 件 进行 电路分 析 时 ， 须 对步 长 和 温 度进行 选定 本 文 的仿 真波 形都是 在 适 当的分 析步 长和 一定 的温 度下 得 到 的 ， 因为步 长 或温度不 同 ， 对分析的结果有 明显 的影 响 参 考 文 献 ， · ， 艾燃 ， 邹朝 忠 ， 欧 阳 长连 晶 闸管模 型及其 电路 的计算机仿真 南京航空学 院学报 ， ， 一 高勇 ， 赵旭东 ， 陈治 明 电力 电子 电路计算机辅助 设计 中的器件模 型 电力 电子技术 ， 一 ， ， ， ， ， 邢水泉 ， 吴 兆麟 电力 电子 线路 的一种仿真方法 电力 电子技术 ， 一 ， ， ， “ 一 ” “ ， ，