毕业设计（论文）基于MATLAB的电力电子虚拟实验开发.doc

目 录1 引言32 电力电子仿真软件62.1 OrCAD/Pspice软件62.2 EMTP/EMTDC/PSCAD软件72.3 PLECS仿真软件82.4 MATLAB/Simulink/PSB仿真软件92.4.1 MATLAB/Simulink模块库102.4.2 MATLAB/SimPowerSystems模块库113 电力电子建模仿真技术123.1 电力电子器件仿真123.1.1 工艺模型123.1.2 物理模型133.1.3 电学模型143.2 电力电子电路仿真153.2.1 电力电子电路的非线性153.2.2 电力电子装置的混合性163.2.3 装置模型的病态163.2.4 器件模型的适用性173.2.5 建模183.3 电力电子系统仿真194 电力电子器件仿真204.1 不可控型器件仿真204.1.1 电力二极管的基本特性204.1.2 电力二极管的仿真模型204.1.3 电力二极管的仿真实例224.2 半控型器件仿真254.2.1 晶闸管的工作原理254.2.2 晶闸管的伏安特性264.2.3 晶闸管的仿真模型264.2.4 晶闸管仿真实例304.3 全控型器件仿真334.3.1 可关断晶闸管334.3.2 绝缘栅双极型晶体管405 AC-DC变流电路仿真485.1 单相桥式全控整流电路仿真485.2 三相桥式全控整流电路仿真516 DC-DC变流电路仿真566.1 直流降压斩波电路仿真566.2 直流升压斩波电路仿真596.3 Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真617 AC-AC变流电路仿真647.1 单相交流调压电路仿真647.1.1 相位控制657.1.2 通断控制677.1.3 PWM斩波控制707.2 相控式三相交流调压电路仿真757.3 单相交-直-交变频电路仿真788 DC-AC变流电路仿真828.1 电压型单相SPWM半桥逆变器仿真828.2 电压型三相SPWM逆变器电路仿真849 电力电子系统仿真879.1 通用变频器电路仿真879.2 基于超导的直流输电系统仿真899.2.1 超导模型设计909.2.2 基于超导的直流输电系统仿真909.2.3 仿真结果分析93结论95致谢参考文献1 引言 在科学研究和生产实践活动中，为了研究、分析、设计和实现一个系统，常常需要进行试验。试验的方法基本上可以分为两大类：一种是直接在真实系统上进行；另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。传统上大多采用第一种方法，随着科学技术的发展，尽管第一种方法在某些情况下仍然是必不可少的，但第二种方法日益成为人们更为常用的方法，主要原因在于： （1）系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解； （2）在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险； （3）需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断试验结果的优劣； （4）试验时间太长或费用昂贵。 （5）实际系统受各种客观条件限制，难以按预期的要求改变参数，得不到所需的实验条件。 因此在模型上进行试验日益为人们所青睐，建模技术也就随之发展起来。 模型一般分为物理模型和数学模型。物理模型与实际系统有相似的物理性质。是按一定比例缩小（或放大）了的实物外形，如沙盘模型、风洞试验中的飞行器外形和船体外形，或是生产过程中试制的样机模型，如导弹上的陀螺等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部物理变量之间的关系，通过对系统的数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。数学模型可以分为机理模型（演绎方法推理）、统计模型（归纳法估计）、混合模型，也可以分为静态模型和动态模型两类。 仿真，就是在模型上进行试验。根据模型的不同，仿真可以分为三种：物理仿真、数学仿真和半实物仿真（物理-数学混合仿真）。物理仿真是按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验。物理仿真的优点是直观、形象。物理仿真的缺点是模型改变困难，实验限制多，投资较大。在计算机问世以前，基本上是物理仿真。数学仿真是对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行试验。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，使得数学仿真变得方便、灵活、经济。数学仿真的缺点是受限于系统建模技术，即系统的数学模型不易建立。半实物仿真是将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行试验，对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；而对比较复杂的部分或对其规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物，仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。 计算机仿真技术具有安全性、经济性、可重复性等优点，它不受环境限制，可以缩短研究开发周期，提高生产效率。 电力电子技术的计算机仿真具有十分重要的意义。 首先，计算机仿真可以辅助设计。电力电子设计自动化EDA(Electronic Design Automatic)已广泛应用到各类电系统的工程设计中，彻底改变了以往依靠人工计算、电路实验、实物试制和调试的传统设计方法。随着大规模集成电路和电子计算机的快速发展，电力电子变换和控制电路的计算机仿真技术使设计、实验与调试低成本化和多样化成为现实。 其次，计算机仿真可以辅助分析。通过仿真可以对现有电力电子系统的运行情况进行分析，例如系统性能分析、系统状态估计、系统故障诊断等。 第三，计算机仿真可以辅助教学。 电力电子技术课程是电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。该课程概念抽象，理论复杂，知识点较多，课堂讲授难度大，不便于自学。该课程教学的最大特点就是电路图和波形图较多，在教学过程中，有许多电路需要画波形图进行分析，而这些电压、电流波形图往往较复杂，在黑板上板书绘图费时费力。当需要改变电路参数时，所有的图形又不得不重新绘制，很不方便。学生在等待老师绘图的过程中容易分心，手工绘制的图形也不规范，也看不到动态运行情况，教学效果不理想。随着电力电子技术的快速发展，教学内容不断增加和充实，如何充分、有效地利用课堂时间，并在课堂教学中融入创新教育，已成为当前教学改革迫切需要解决的问题。 在专业课程的教学实践中适当应用先进的计算机辅助教学系统，最终过渡到教学方法的全面电子化和实验手段的虚拟化已成为发展趋势。为了节约了课堂时间，提高教学效率，增强学生的学习兴趣，加深学生对相关理论知识的理解，非常需要利用计算机建模与仿真技术对电力电子系统进行实验分析。利用计算机仿真技术，课堂可以上演示各种电力电子器件结构、静动态特性以及典型电路波形的动态变化过程，使学生看到实实在在的变化，使学生理解起来更容易、更深刻。课后可以让学生自己动手对电路当中的一些波形去进行仿真，可以极大地提高学生的学习积极性。 本课题正是顺应这种教学需求而提出的。 开发电力电子教学虚拟实验的目的，就是要充分利用现代多媒体技术提供的声音、图像、动画、视频、文本等手段，生动、具体、形象地讲述电力电子电路系统的原理和工作过程。利用计算机软件模拟电力电子电路的工作情况，使学习者形象地观察到电路系统的运行状态，使学习者在一个全仿真的环境中，身临其境地学习知识，以加深对知识的认识和理解。 传统的实验设备成本高，知识点覆盖面窄，大多数为验证性实验，不利于学生对电力电子技术知识的掌握。基于上述原因，本课题以MATLAB为开发工具，设计了一套虚拟实验。通过所构建的虚拟实验室，引导学生对所学过的电力电子装置进行波形分析、定量计算，培养和提高学生利用计算机解决电力电子装置仿真问题的能力，使学生了解和掌握利用计算机建模和仿真技术对电力电子装置进行分析的方法，更深刻地理解所学知识，特别是系统参数、控制方法等对电力电子系统性能(如功率因素、THD等)的影响，为后续课程的学习和毕业设计打下基础。 论文的主要研究内容：（1）总结各种常用电力电子建模仿真软件的特点。（2）分析电力电子器件、电路和系统的建模仿真方法。（3）探讨相位控制、通断控制和PWM控制三种控制技术的仿真实现方案。（4）基于MATLAB开发一套电力电子器件和AC-DC、DC-DC、AC-AC、DC-AC四种基本变流电路的虚拟实验，构建电源、负载、器件、主电路和控制电路的仿真模型，分析研究电路模型的参数设置情况，观察分析变流电路仿真运行后的输出波形。（5）设计一套电力电子装置系统的建模仿真虚拟实验。（6）编写实验指导书。2 电力电子仿真软件2.1 OrCAD/Pspice软件 OrCAD是美国OrCAD Systems公司于20世纪80年代推出的通用逻辑电路设计软件包，它包括电路原理图设计组件OrCAD/SDT(schematic design tool)，逻辑电路仿真组件OrCAD/VST（verification and simulation tool），可变成逻辑电路设计组件OrCAD/PLD(programmable logic device)和印刷电路板版图设计组件OrCAD/PCB(printed circuit board)1234。 PSpice（simulation program with IC emphasis）是一种通用的电子电路仿真软件包。1972年由美国加州大学伯克利分校计算机辅助集成电路设计小组开发的，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计，是应用最为广泛的一个电子电路设计软件。它利用设计人员易于掌握和应用的电路描述语言来电路的结果，参数以及希望分析的电路特性进行描述，然后根据用户设置的条件对电路进行仿真，并根据仿真结果验证所设计电路的可行性。PSpice则是一个由美国MicroSim公司于1984年在2G版本的基础上加以改进以适合PC机使用的PSpice版本，该软件在PSpice6.0及以后的版本中采用了图形界面，进一步方便了用户的使用。 1998年OrCAD公司并购MicroSim公司，经过重新集成的OrCAD/PSpice软件主要包括作为前处理的OrCAD Capture组件，用于电路原理图的设计，仿真参数的设置以及生产电网络连接表（Netlist）；仿真器OrCAD PSpice用于根据上述网络连接表对电路进行仿真验证。一旦设计的原理图通过验证，就可以进入后续的 Layout Plus程序进行印刷电路板版图的设计，或进入 Express进行可编程逻辑元件（PLD）的设计。 PSpice的主要优点： （1）具有模拟/数字混合仿真功能，可以利用文本和原理图两种输入形式进行由数字和模拟元件构成的混合系统设计，这是大多数仿真器不能做到的。采用原理图作为输入时，该软件在电路设计中的作用相当于一个软件面包板，从而大大提高设计效率和节约开发成本。 （2）现在提供的仿真模型库包括常用的模拟器件，数字器件的模型以及包括精确的传输线，磁芯模型在内的总数达3万以上的内建模型。此外她还可以通过其CIS组件从互联网站点上下载新的器件模型，从而帮助用户有效地改进设计和降低成本，用更少得时间设计出更好的电路。 （3）PSpice具有大量的模拟功能模型和系统分析功能。其中模拟功能模型是用户可以用类似于传递函数框图的方法来对复杂的电路进行时域或频域分析；其电路基本分析功能，如直流、交流和瞬态分析，蒙特卡洛，最坏情况/灵敏度分析，参数扫描以及优化和波形分析等功能，使用户可以从不同的角度对所设计的电路进行分析和研究，从而优化设计。 （4）允许用户通过使用参数，拉普拉斯函数和状态方程等建立用户自己的模型。2.2 EMTP/EMTDC/PSCAD软件 由于利用理想开关模型对电力电子器件进行模拟具有结构简单，节约计算机资源的优点，所以随着电力电子装置在各个领域中的应用日益广泛，在不同领域的专用仿真软件中加入电力电子器件的理想开关模型，将其应用扩展到包括电力电子装置的系统的研究中，或开发用于某一领域的基于理想开关模型的专用仿真软件成为一种流行的趋势567。 EMTP是美国 BPA(Bonneville电力局)于1968年开发的用于电力系统分析的软件。30多年来该软件经过不断改进和发展，迄今已成为应用最广泛的电力系统仿真软件。此类软件以电力系统分析为目的，为了便于用户使用，软件中除了具有常用电气元件如电阻，电容，电感等模型外，还包括了一系列常用电机元件如发电机，电动机，传输线的模型以及断路器等电磁暂态元件和控制系统的模型。在长期使用中，根据研究领域的不同，在其基础上又产生了一系列用于特殊领域的软件，如ATP(alternative transients program，交流暂态分析软件)，EMTDC（直流输电系统电磁暂态分析软件）和NETOMAC等。 EMTDC是加拿大MANITOBAR HVDC（高压直流输电）中心为了便于对该发电站大量应用的HVDC 和SVC进行研究，于1975年在EMTP的基础上开发的。为了便于对电力电子装置进行研究，引入了以双电阻理想开关为模型的晶闸管等器件模型。近年来，随计算机技术的发展引入了图形用户界面(GUI)PSCAD，进一步方便了用户的使用。 利用EMTDC/PSCAD进行电力电子电路仿真的主要优点： （1）PSCAD图形用户界面使得仿真的所有方面（即电路的绘制，数据的入口，结果的可视化，结果和设置的控制）都可以图形化地实现。准备和试验系统进行仿真的速度，特别是计算大型复杂系统的速度，通常都要比用ATP或 EMTP快得多。 （2）通过PSCAD图形界面能够在线调整增益，时间常数和设置。这使得用户能够方便地修改电路元件而无需重新运行例子。 （3）EMTDC的内部运算法则在其核心部分使用梯形积分（如同EMTP/ATP一样）。这是由赫尔曼。多梅尔在他1969年的著名论文中就定义了的，而且许多串联和并联的电路元件被算术地分解，通过使用少得多的节点和支路来加速求解。因而求解快速灵活，且在数值上稳定（比其他程序要稳定和可靠得多）。 （4）EMTDC使用一种两部分稀疏最佳运算法则作为其主要解决方案，因而开关的操作非常快。EMTDC同时使用分系统方法，这种方法的优点是基于通过行波输电线路分割的系统在数学上是相互独立的。2.3 PLECS仿真软件 用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时， 各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPIC E版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6. 0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。目前， ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 9.0，与传统的SPICE软件相比，PSPICE9.0在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电 路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的 电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路 进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以 随时分析观察仿真结果。ORCAD PSPICE Release 9.0共有六大功能模块，其中核心模块是PSPICE A/D，其余 功能模块分别是：Capture（电路原理图设计模块）、Stimulus Editor（激励信号编辑模块）、Model Editor（模型参数提取模块）、PSPICE/Probe（模拟显示和分析模块）和Optimizer（优化模块）。虽然PSPICE应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于SPICE软件原先主要是 针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。PSPICE采用变步长算法，对于以周期性的开关状态变化的电力电子电路 而言，将造成大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，有时 甚至不收敛。另外，在磁性元件的模型方面PSPICE也有待加强。PLECS提供了涵盖了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模型，主要由两大部分组成:内建元件和库元件。内建元件包括:电阻、电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元件；而库元件则主要有：IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、三路开关、异步电机等的仿真模型。用户也可以根据自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。 PLECS区别于以往传统的模拟仿真应用软件，主要有以下一些显著特点： （1）兼容性好：与Simulink结合 （2）高效的编辑原理 （3）半导体开关元器件的理想化：如IGBT，IGCT的Irr=0，di/dt=无穷大，Qrr=0。 A、便于操作：一个理想的开关转化，不会让我们担心诸如导通电阻或吸收电容这样的参数问题。通常，我们可能不知道这些数值，特别是系统模拟所可能产生的寄生效应，也是很少被关注的，这样，PLECS元件理想化优势就体现在这里。 B、稳定性好：在模拟电路的搭建时，使用吸收电路往往使模拟系统复杂性增加，弹性系数也会上升。有些模块通常会要求固定时步模拟或使用弹性系数解算器。而PLECS在没有缓冲器的条件下，就可以让您在Simulink的所有固定时步和可变时步解算器中进行自由选择。 C、速度快：传统的一些电路模拟程序，转化瞬间的计算十分繁琐，有限斜率强制缩短了程序运行步骤的时间。在PLECS中，这个问题就容易解决，只需要通过理想开关的即时运行就可以实现，每个转化过程只需要两步，在某种程度上大大加快了模拟速度。 （4）特殊的程序库：除了标准的参数如电流电压，有源器件外，PLECS还提供了一些特别的元件。在程序库里，你可以找到很多半导体元器件，如开关、断路器、变流器和三相变压器等等。为了模拟电子驱动，我们在PLECS里还可以找到交流或直流发电机,如感应发电机或永磁同步发电机。2.4 MATLAB/Simulink/PSB仿真软件 MATLAB软件是美国Math Works公司推出的最初用于数值计算和图形处理的科学计算系统，MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，MATLAB作为控制领域中最流行的CAD软件，自从1980年推出以来就一直受到工程技术人员的重视和广泛应用。该软件处了具有传统的交互式编程能力外，还包括强有力的矩阵运算，数据处理和图像处理功能，特别是其推出的大量控制系统工具箱Simulink进一步方便了用户的使用，从而得到了更为广泛的应用。MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。这使它成为国际控制领域应用最广的首选软件工具。现在MATLAB软件不但广泛应用于控制领域，也应用于其它的工程和非工程领域。在控制界，很多著名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。 MATLAB语言集计算、数据可视和程序设计于一体，并能用人们熟悉的符号表示出来，在工程计算方面具有不可比拟的优越性。它还为图形处理提供了丰富的函数，数学函数库中包括了大量的数学函数，因此，MATLAB已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。 Simulink是运行在MATLAB环境中的用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。对于建模，Simulink提供了一个图形化的用户界面。Simulink被广泛地用于控制系统的仿真。但是Simulink不能接受用户以网络表或电路图形式输入的电路系统。PLECS工具箱扩充.Simulink功能，使我们可以在Simulink的环境中以网络表的形式建立电路部分的模型。建模后的电路模型将以子系统的形式呈现在Simulink中。系统中控制部分的建模可以通过调用Simulink中的各种工具箱来完成。在对仿真系统进行建模以后，电路部分可以接收来自控制部分的电压、电流信号及开关信号。而在仿真过程中，电路部分又将仿真的结果以电压量、电流量的形式传递给控制部分。通过两个部分的交互作用，可以完成比较复杂的仿真任务，并且可以利用MATLAB强大的计算功能来分析仿真的结果。Simulink是一种用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用Simulink来建模、分析和仿真各种动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统），将是一件非常轻松的事。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图，甚至无需编写代码。它和M ATLAB 的无缝结合使得用户可以利用M ATLAB 丰富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。另外，作为Simulink 建模系统的补充，Mathworks公司还开发了专用功能块程序包，如DSP 模块库（DSP Blockset）和电力系统模块库PSB（PowerSystemBlockset）等。通过使用这些程序包，用户可以迅速地对系统进行建模、仿真和分析。在对电力电子进行仿真过程中，主要用到了Simulink里的特殊工具库电力系统模型库，它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析，功能十分强大。其中包括7 个子库：连接模型库（Connectors）、电源模型库（Electrical Sources）、元件模型库（Elements）、附加模型库（ExtraLibray）、电机模型库（Machines）、测量模型库（Measurement）、电力电子模型库（PowerElectronics）。2.4.1 MATLAB/Simulink模块库 Simulink是The MathWorks公司于1990年推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。它能进行系统的连接即把一系列模块连接起来构成复杂的系统模型来进行计算机仿真。早在Simulink出现之前，仿真一个给定框图的连续系统是件很复杂的事情。当时MATLAB虽然已经支持较简单的常微分方程求解，但用语句的方式建立起整个系统的状态方程模型还是比较困难的事，所以需要借助于其他的仿真语言工具，使得建立模型很不直观对复杂的问题来说出错是难以避免的。Simulink的出现使得原来的基准问题能够轻而易举的解决了。 用Simulink 建立仿真模型的过程，常用的一些库： （1）Sources库，它包含了产生信号的模块，如Sinewave（正弦波）和Random Number（随机数发生器）等等。 （2）Sinks库，它包含的模块用于显示或者写模块的输出、如经常用到的scope模块，这个库里的模块还可把输出写入文件中或是保存变量到M ATLAB 工作空间。 （3）Discrete库，它包含了描述离散时间系统组件的模块。其中最典型的DiscreteTransferFun模块（实现离散传递函数），DiscreteFilter模块（实现IIR 和FIR 滤波器）等等。 （4）Continuous阵,包含了描述线性函数的模块。典型的代表Derivative模块（输出输入信号的微分）。Integrator模块（对输入信号进行积分），state-space模块（实现线性状态空间系统）等等。 （5）Nonlinear库，包含的模块描述非线性函数。例如Quantizer模块（将一个信号按一定间隔进行离散化），switch模块（在两个信号间切换）。 （6）Math库，包含了描述一般数学函数的模块。其中模块功能就是将输入信号按模块所描述的数学运算函数计算，并把计算结果作为输出信号输出。例如Abs模块（将输入信号取绝对值），ComplextoM agnitude- Angle模块（求一个复数信号的相位和模）等等。 （7）Function&tables库，包含了描述通用函数和查询表的模块。例如S-function 模块（把S 函数文件和Simulink 模型结合的模块），M ATLAB-Fcn 模块（将一个M AM 函数或者是表达式作用于输入信号）。 （8）Signal& Systems库，它里面的模块允许复用信号（Mux）或者分离信号（Demux），实现外部的输入输出（Inport和Outport），将数据传递到模型中其他部分（From 等等），建立子系统(Subsystems)以及其他功能。至此，Simulink的基本用法及其常用的库元件就基本上介绍完了。由于Simulink的内容非常丰富，一下子难以全部掌握，所以还需要在今后的学习中多运用、多了解。2.4.2 MATLAB/SimPowerSystems模块库 目前，大型科学计算与仿真软件Matlab已经配备了电力系统工具包(power system blockset)，这使得Matlab可以用于电力电子仿真。power System的仿真是基于Matlab的Simulink图形环境，因而使用起来与PSpice一样方便。Simulink是Matlab软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用 Simulink 建立电力电子装置的简化模型(如基频模型)并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真。Simulink 对C语言代码提供了很好的支持，而且既可以工作在交互式图形环境下，也可以工作在Matlab指令语言模式的批处理模式下Matlab是基于理想化功率元器件和功能模块的仿真工具。 缺点在于目前的Power System是基于一般电路元件的模型以及数学模块(例如传递函数)来进行仿真的，与实际元件的参数有差别，仿真的结果与实际电路有一定距离，其结果的参考意义主要体现在电路的总体与系统上。其中的开关和控制单元大量使用了理想元件，其中的开关控制器只要直接与开关相连即可，不用考虑电平移动。基本忽略了对实际开关的暂态过程描述。由于忽略了开关的杂散参数，使得电路的数据处理量大为减少，运算速度明显提高。此外，Power System对计算机的内存要求较高，仿真过程容易因存储而溢出中断。 最常用的模块，在电力系统工具箱(Simpower SystemBlockset)中有一个电力电子器件模块库(PowerElectronies)，在此模块库中包含了理想开关元器件(Ideal switch)、二极管(Diode)、晶闸管(Thyristor)、可关断晶闸管(Gto)、功率MOS场效应管(Mosfet)、绝缘栅极双极晶闸管(IGBT)、通用整流桥(Universal Bridge)及附加库(ExtraLibrary)等基本模块。3 电力电子建模仿真技术 对于一个复杂系统进行分析的第一步是对系统进行层次分解，即根据研究问题的不同，建立相应的不同层次的模型。对电力电子系统而言，通常是将其分为器件(device)、装置(circuit)和系统(system)三级来进行分析，其中器件作为构成电力电子电路的基础，成为电力电子电路仿真研究的起点。3.1 电力电子器件仿真 每一个具体的电力电子电路均是由元器件组成的，这些元器件既包括各种线性器件，如电容、电感、电阻和电源等，也包括各种非线性器件，如二极管、晶体管、MOS管、晶闸管、IGBT等。在利用计算机对电力电子电路进行计算机辅助分析与仿真时，就需要利用各种等效的数学模型来描述这些元器件。为了使得计算机分析与仿真的结果正确，要求上述模型既要便于计算机仿真程序的识别和计算，又能正确地反映器件的电气性能。因此，器件的建模及仿真就成了电力电子技术中建模与仿真的第一步。器件模型化，即用模型在理论上模拟器件的实际特性，起源于肖克莱在1949年发表的一篇论文“半导体中的PN结理论与PN结晶体管”。这篇论文从一组微分方程出发，奠定了对结型二极管和晶体管进行数值分析的理论基础。随着计算机的发展，利用数值模拟的方法对半导体器件的研究得到了越来越广泛的应用。 根据计算机仿真的要求，“理想”的器件模型至少应满足下述要求：可以在较宽的电压电流和温度范围内以足够的精度反映器件的性能；在器件的参数物理过程之间具有确定的对应关系，可以根据研究的问题做某些近似和简化处理，使其便于应用；其数学模型经过转换后可以成为适于计算机电路分析通用软件中的应用形式。在实际应用中，由于电子器件建模的工作涉及电学、热学、半导体物理等多个领域，所以描述其物理过程的数学模型将非常复杂，造成建模和计算的困难。而另一方面，使用简化的数学模型又会导致模拟精度的降低。因此，设计者通常根据研究问题的性质来确定采用模型的种类。在实际仿真中器件模型可以用原始参数系统的特性(按半导体器件设计人的观点)或所研究问题的性质(从电路设计人员的角度)为主要标志，将数学模型分为以下3类。3.1.1 工艺模型 原始参数为工艺规范参数，包括工艺过程的温度、时间、气体流量、扩散杂质的浓度等。由于工艺过程由许多因素决定，所以统计方法被广泛采用。这种模型不仅可以用于电路分析，还可以使器件制造工艺规范最优化。计算物理模型，即拓扑模型的原始参数，其目的是寻找结构特性，因此模型更为精确，当然也更加复杂，可应用于器件的设计制造过程中。 用于建立工艺模型的常用软件有Superm(Stanford University process engineering model)(一维)和Supra(二维)。以Superm为例，该软件通过离散化将半导体结构沿垂直表面的方向分成网格，每个网格中有一个中心网格，半导体结构的边界位于网格点上，并且假定每个网格中材料的物理性质和杂质浓度相等。仿真时计算机以网格点距离为步长进行计算，计算量非常大。3.1.2 物理模型 这种模型的特点是将器件的输入输出特性与物理结构和拓扑参数相联系。这种模型中的原始参数是器件的几何尺寸和半导体的物理参数，包括原子杂质浓度的空间分布、少数载流子寿命以及载流子的迁移率等。该模型利用描述半导体器件电特性的基本方程，即决定静电势的二维泊松方程、决定电子和空穴浓度的电流连续方程和电流密度方程，进行建模。由于上述偏微分方程的解析解一般很难求得，实际上一般采用数值方法求出；所研究区间中某些点上函数的近似值。如果该区间内的点取得足够密，则由这种方法得到的数值解将是对实际物理过程的一种合理描述。实际中最常用的方法是有限元法和有限差分法。前者将求解区域划分为许多子单元，以单元组合而成的结构近似代替原连续结构；而通过对分区域的插值求解来逼近真实解。后者则首先对偏微分方程进行离散化，即在空间对研究的区域进行网格剖分，并在各子区域内将微分方程用适当的差分方程代替，然后对其求解。经验证明由于这种模型考虑了影响器件工作的电学方面的所有主要效应，所以这种模型的精确度要比电学模型高得多，当然也复杂得多，因此需要更多的计算工作量。这方面常用的软件有：斯坦福大学开发的用于模拟器件稳态和暂态特性的PISCES-(poisson and continuity equation solver)，用于对高压和功率器件的稳态、瞬态、交流特性进行二维数值分析的GEDS(general semiconductor devices simulator)，斯坦福大学开发的另一种一维器件模拟程序SEDAN(semiconductor device analysis)等。这些软件中对常见电力电子器件建立的物理模型以及对方程的处理方法如表3-1所示。表3-1 仿真软件中常见器件的物理模型以及计算方法类别MOS器件双极型器件传感器件等基本模型方程泊松方程，电流连续性方程或玻耳兹曼方程泊松方程，电流连续性方程麦克斯韦方程，电流连续性方程及其他模型方程维数l2l3l2数值处理方法有限元，有限差分或蒙特卡洛法有限元，有限差分法有限元，有限差分法非线性偏微分方程组解法耦合法，非耦合法或粒子模拟法耦合法，非耦合法耦合法，非耦合法等物理模型经典与非经典经典模型经典模型 尽管可以用上述方法求得独立器件的严格瞬态解，然而将上述模型与外部电路相连进行电路分析时，需要联立求解系统方程，这将成为一个更为复杂的问题。因此这种方法一般被用于设计半导体器件本身，而不是用于模拟实际电路中的器件特性。3.1.3 电学模型 这种模型是从简化的物理原理中得到的，它仅考虑主要的输入输出效应，即元件引线的端电压和端电流；在简化过程中对其内部的物理过程进行了理想化，即假设器件的内部结构是均匀的，并且传输时间可以忽略不计。在简化中没有考虑的物理效应，可以通过在模型中引入某些相应的近似和形式系数来反映。这种模型的原始参数是根据在元件外部做电学测量得到的电学参数，例如器件的放大系数、跨导、输入输出阻抗等获得的。并且在大多数情况下，这些参数都应包括在器件的技术条件中。这种电路由于既能足够精确地反映器件的输入输出特性，又相对简单，所以在电路设计中得到广泛的应用。 整个电路的计算机辅助设计可分为：工艺模拟Superm(一维)，Supra(二维)；器件(物理)模拟Scdan，Gemini；参数提取Impact；电路模拟Spice；版图设计Magic。 作为电路设计工程师，所关心和采用的实际上就是电学模型。PDLauritzen根据对电力电子器件特性的详细分析，于1990年提出电力电子器件的电学模型可以进一步分为如下3类。 （1）基本模型(generic model) 基本模型即基本的电学模型，其特点是根据简化后的电力电子器件的物理规律，对Spice等软件中原有的小功率器件的模型参数进行优化，并且引入一些新的特性，例如电荷存储效应、