專利名稱：晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，能夠直接用于晶閘管變流電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，研究其中的反向恢復(fù)過電壓問題，屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電力電子半導(dǎo)體元器件技術(shù)的飛速發(fā)展，大容量高性能的晶閘管元件被廣泛應(yīng)用，晶閘管的反向恢復(fù)過電壓問題受到了越來越多的關(guān)注。眾所周知，影響晶閘管反向恢復(fù)過電壓的因素是多方面的，這種過電壓的大小目前還難以精確計(jì)算，過電壓保護(hù)回路的參數(shù)選擇還缺乏充分的計(jì)算依據(jù)。如果保護(hù)回路的參數(shù)選擇不當(dāng)，達(dá)不到應(yīng)有的吸收效果，反向恢復(fù)過電壓不僅會(huì)直接導(dǎo)致元件擊穿或者誤導(dǎo)通，還會(huì)嚴(yán)重威脅到其他設(shè)備的絕緣壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此大容量晶閘管反向恢復(fù)過電壓的保護(hù)技術(shù)是目前電力電子應(yīng)用技術(shù)所面臨的重要課題。由于晶閘管具有低摻雜、大注入的基區(qū)，在導(dǎo)通期間，內(nèi)部充滿著大量的載流子。 當(dāng)元件加反向電壓強(qiáng)制關(guān)斷時(shí)，正向電流逐漸衰減到零。由于殘留的載流子不能立即消失， 元件短時(shí)間之內(nèi)仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，電流過零后繼續(xù)沿反向流通。然后元件恢復(fù)阻斷能力時(shí)， 反向電流急速地由從反向最大值衰減到穩(wěn)態(tài)漏電流值。此時(shí)的尖峰脈沖di/dt極大,在回路電感上往往會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓。這就是晶閘管的反向恢復(fù)過程，如圖I所示。目前，對(duì)于晶閘管反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型，通常采用突然完全截止模型、指數(shù)函數(shù)模型、雙曲函數(shù)模型等。一般情況下可以認(rèn)為反向恢復(fù)電流是按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減的，即
-di/dt xt t <t\iA(t) =_ t - t,
—Irr € Tt tl其中，h為反向恢復(fù)電流峰值的時(shí)刻，T為指數(shù)時(shí)間常數(shù)。很明顯，采用指數(shù)函數(shù)來模擬反向恢復(fù)電流，能夠有效克服假定晶閘管突然完全截止分析方法的缺點(diǎn)，對(duì)于絕大多數(shù)“軟恢復(fù)”的晶閘管都很適合，能夠得到較為精確的計(jì)
晳奸里異知米。可是，如果直接求解這種指數(shù)函數(shù)等值電路的微分方程組的話，是非常繁瑣的，不太適合一般的工程應(yīng)用。然而利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行數(shù)值求解卻能夠解決這個(gè)問題。因此， 這就需要建立一種晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型，能夠直接用于晶閘管變流電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)研究變流裝置中反向恢復(fù)過電壓的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)。雖然目前也有人提出了一種采用晶閘管反向恢復(fù)等值電路的仿真求解方法，然而這種仿真都是僅僅局限于反向恢復(fù)后半部分的局部仿真，不是晶閘管整個(gè)反向恢復(fù)過程的仿真，更不能動(dòng)態(tài)反映晶閘管反向恢復(fù)特性的整個(gè)過程。另外，也有人介紹了一些微觀宏觀相結(jié)合的晶閘管宏模型，采用電容的充放電特性來模擬反向恢復(fù)過程，其中電容的控制方式比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)特性精確模擬，不便于工程上直接應(yīng)用。所以，建立一種動(dòng)
3態(tài)的晶閘管反向恢復(fù)仿真模型對(duì)工程應(yīng)用來說是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵問題是提供一種能準(zhǔn)確模擬晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，這種模型能夠直接用于晶閘管變流電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)研究變流裝置中晶閘管反向恢復(fù)過電壓的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于，在晶閘管仿真模型旁并聯(lián)一個(gè)可控電流源模塊，所述可控電流源模塊在控制模塊的控制下，根據(jù)主回路電流的變化情況，控制輸出反向恢復(fù)電流的大小，補(bǔ)償出需要的反向恢復(fù)電流，準(zhǔn)確完整地反映晶閘管的反向恢復(fù)特性。前述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模塊的工作過程為根據(jù)外部主回路的電流變化率di/dt及反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算反向恢復(fù)電流的峰值和反向恢復(fù)電荷的大小，進(jìn)一步實(shí)時(shí)計(jì)算出反向恢復(fù)電流的大小，然后直接控制可控電流源模塊實(shí)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的反向恢復(fù)電流。前述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型為將晶閘管的關(guān)斷特性曲線采用曲線擬合的方法，得到計(jì)算反向恢復(fù)電荷Qrr = f (di/dt)和反向恢復(fù)電流Irr = g (di/dt)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式。前述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于控制模塊的工作過程為采集主回路(主回路是指晶閘管仿真模型構(gòu)成的回路)電流信號(hào)后通過零階保持模塊、限幅模塊進(jìn)行信號(hào)處理，獲得穩(wěn)定的輸入信號(hào)。前述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模塊包括過零檢測模塊，用于檢測主回路電流信號(hào)過零點(diǎn)，過零檢測模塊的比較模塊與一個(gè)設(shè)定值進(jìn)行比較來檢測主回路電流信號(hào)是否過零點(diǎn)，使得過零點(diǎn)適當(dāng)提前，所述設(shè)定值數(shù)據(jù)范圍為0 I。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果本發(fā)明通過在一般晶閘管仿真模型旁邊附加并聯(lián)一個(gè)可以直接控制的反向恢復(fù)電流支路，同時(shí)配合必要的控制模塊和控制策略來控制該支路電流的變化規(guī)律，提供一種能準(zhǔn)確模擬晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)晶閘管變流裝置中反向恢復(fù)過電壓的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，為反向恢復(fù)變流裝置中過電壓保護(hù)回路的參數(shù)設(shè)計(jì)提供充分的計(jì)算依據(jù)。


圖I為晶閘管的反向恢復(fù)過程；圖2為晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法示意圖；圖3為晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型的MATLAB模型主回路示意圖；圖4為晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型的MATLAB模型子系統(tǒng)I示意圖；圖5為動(dòng)態(tài)模型的仿真波形圖；圖6為實(shí)際測量波形圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本明作進(jìn)一步的說明。圖2為晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法示意圖。本發(fā)明的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法主要包括以下步驟I)采用在一般晶閘管仿真模型旁邊附加并聯(lián)一個(gè)反向恢復(fù)電流支路的方法，解決一般晶閘管仿真模型不包含反向恢復(fù)過程的問題。該支路可以利用可控電流源模塊來實(shí)現(xiàn)這種功能。該模塊根據(jù)主回路電流的變化情況，控制輸出反向恢復(fù)電流的大小，補(bǔ)償出需要的反向恢復(fù)電流，準(zhǔn)確完整地反映晶閘管的反向恢復(fù)特性。2)通過添加適當(dāng)?shù)目刂颇K來實(shí)現(xiàn)可控電流源模塊的控制策略?？刂颇K根據(jù)外部主回路的電流變化率di/dt實(shí)時(shí)計(jì)算反向恢復(fù)電流的峰值和反向恢復(fù)電荷的大小，從而實(shí)時(shí)計(jì)算出反向恢復(fù)電流的大小，然后直接控制可控電流源模塊實(shí)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的反向恢復(fù)電流。該過程必須是完全實(shí)時(shí)的，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)反向恢復(fù)過程的動(dòng)態(tài)模擬，才能直接應(yīng)用到更加復(fù)雜的整流仿真電路中。因此這種動(dòng)態(tài)仿真模型具有良好的適應(yīng)性。3)控制策略之一采用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式直接計(jì)算的方法實(shí)時(shí)生成反向恢復(fù)電流的動(dòng)態(tài)值。這是本方法與其他仿真方法區(qū)別的一個(gè)主要特征。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式任意選擇反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型，例如指數(shù)函數(shù)模型、突然截止模型、 雙曲函數(shù)模型等，甚至也可以根據(jù)各種晶閘管元器件的不同特性來優(yōu)化選擇其他的數(shù)學(xué)模型，因此這種計(jì)算恢復(fù)電流的方法具有極好的靈活性和通用性。4)控制策略之二 根據(jù)具體型號(hào)晶閘管元器件產(chǎn)品說明書中的關(guān)斷特性曲線確定計(jì)算反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式。這是本方法與其他仿真方法區(qū)別的另一個(gè)主要特征。通常晶閘管廠家會(huì)隨著產(chǎn)品說明書提供該型號(hào)元器件的各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括關(guān)斷特性曲線(伏安特性曲線)。將關(guān)斷特性曲線采用曲線擬合的方法，得到計(jì)算恢復(fù)電荷Qrr = f (di/dt)和恢復(fù)電流Irr = g (di/dt)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式,從而保證了模型的動(dòng)態(tài)參數(shù)與晶閘管的特性曲線是完全一致的。每一種型號(hào)晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù)都是不一樣的，因此這種方法具有很強(qiáng)的針對(duì)性。5)控制策略之三控制模塊采集主回路電流信號(hào)后需要采取適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法，才能獲得穩(wěn)定的輸入信號(hào)。否則由于主回路電流率di/dt變化很快，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)計(jì)算反向恢復(fù)電流產(chǎn)生很大的偏差，難以獲得正常穩(wěn)定的反向恢復(fù)電流波形。對(duì)于這種情況， 需要采用零階保持模塊、限幅模塊等進(jìn)行信號(hào)處理，才能獲得滿意的效果。6)控制策略之四控制模塊檢測主回路電流信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)需要有一個(gè)適當(dāng)?shù)奶崆皶r(shí)間，才能保證反向恢復(fù)電流波形正向部分和反向部分的正常銜接。否則會(huì)導(dǎo)致生成的反向恢復(fù)電流波形的反向部分產(chǎn)生較大的延遲，不能獲得正常連續(xù)的反向恢復(fù)電流波形。 因此過零檢測部分的比較模塊不是直接與零比較的，而是應(yīng)與一個(gè)較小的數(shù)進(jìn)行比較，才能使得過零點(diǎn)適當(dāng)提前。鑒于MATLAB作為目前工程上廣泛使用的建模仿真軟件，具有良好的易用性、靈活性和通用性。因此在這里以MATLAB軟件作為建模仿真工具，十分有利于該方法在工程上推廣應(yīng)用。下面以ABB公司生產(chǎn)的晶閘管5STP18L4200為例，來說明晶閘管反向恢復(fù)特性動(dòng)態(tài)仿真模型建模方法的具體實(shí)施方式
，如圖3所示。(I)根據(jù)5STP18L4200產(chǎn)品說明書中的關(guān)斷特性曲線，利用MATLAB多項(xiàng)式曲線擬合功能得到計(jì)算Qrr和Irr的三次擬合多項(xiàng)式,從而保證反向恢復(fù)模型的參數(shù)與關(guān)斷特性曲線是完全一致的。(2)新建MATLAB空白模型文件，在電力系統(tǒng)工具箱中復(fù)制晶閘管模塊、可控電流源模塊，并將兩者并聯(lián)組成模型的主電路部分，其中可控電流源的作用是產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。(3)模型的關(guān)鍵是反向恢復(fù)電流的控制部分，主要由一些信號(hào)處理模塊組成。其中，微分模塊計(jì)算出晶閘管模塊電流的變化率di/dt ;后面跟著的是限幅模塊，防止微分模塊輸出過大超出di/dt的有效范圍；關(guān)系運(yùn)算模塊判斷晶閘管模塊電流衰減到零的時(shí)刻， 實(shí)際衰減到0. 5是為了能有一點(diǎn)提前，當(dāng)電流衰減到零時(shí)觸發(fā)使能子系統(tǒng)I來產(chǎn)生反向恢復(fù)電流信號(hào)去控制可控電流源。(4)使能子系統(tǒng)I內(nèi)部主要是采用三個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)模塊分別計(jì)算出Irr、Qrr, x的值，如圖4所示。積分模塊計(jì)算反向恢復(fù)電流峰值Irr之前直線部分的波形。使能子系統(tǒng) 2內(nèi)部主要是一個(gè)指數(shù)函數(shù)計(jì)算模塊，計(jì)算反向恢復(fù)電流峰值Irr之后指數(shù)衰減部分的波形。選擇開關(guān)模塊控制反向恢復(fù)電流的輸出，在沒有反向恢復(fù)的時(shí)候輸出為零。(5)最后，將整個(gè)系統(tǒng)封裝成一個(gè)子系統(tǒng)，于是就得到5STP18L4200具有反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型。采用以上方法所建動(dòng)態(tài)模型的仿真波形與實(shí)際測量波形對(duì)比如圖4所示。為便于比較，晶閘管模型的仿真參數(shù)采用與測量條件相同的電路參數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)置如下U1 = 200V, Rl = 5 Q , U2 = -800V, R2 = 0. 001Q,L = IOluH, Rs = IOQ ,Cs = luF。對(duì)比圖4可以看出，仿真波形與實(shí)際測量波形是非常接近的，誤差基本上在10%以內(nèi)， 這充分說明了所建模型能夠正確地反映反向恢復(fù)的整個(gè)過程，準(zhǔn)確地反映了晶閘管的反向恢復(fù)特性。該動(dòng)態(tài)模型成功解決了整流裝置晶閘管換相過電壓的計(jì)算機(jī)仿真問題，模型具有良好的精確性和易用性，可以直接應(yīng)用到晶閘管整流回路中。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)晶閘管變流裝置中反向恢復(fù)過電壓的動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，研究電路中的反向恢復(fù)過電壓的大小問題，為反向恢復(fù)變流裝置中過電壓保護(hù)回路的參數(shù)設(shè)計(jì)提供充分的計(jì)算依據(jù)，有效解決晶閘管整流回路過電壓保護(hù)回路的參數(shù)設(shè)計(jì)難題，對(duì)過電壓保護(hù)回路的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用都有著非常重要的參考意義。以上已以較佳實(shí)施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于，在晶閘管仿真模型旁并聯(lián)一個(gè)可控電流源模塊，所述可控電流源模塊在控制模塊的控制下，根據(jù)主回路電流的變化情況，控制輸出反向恢復(fù)電流的大小，補(bǔ)償出需要的反向恢復(fù)電流，準(zhǔn)確完整地反映晶閘管的反向恢復(fù)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模塊的工作過程為根據(jù)外部主回路的電流變化率di/dt及反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算反向恢復(fù)電流的峰值和反向恢復(fù)電荷的大小，進(jìn)一步實(shí)時(shí)計(jì)算出反向恢復(fù)電流的大小，然后直接控制可控電流源模塊實(shí)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的反向恢復(fù)電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于反向恢復(fù)電流的數(shù)學(xué)模型為將晶閘管的關(guān)斷特性曲線采用曲線擬合的方法，得到計(jì)算反向恢復(fù)電荷Qrr = f (di/dt)和反向恢復(fù)電流Irr = g (di/dt)的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于控制模塊采集主回路電流信號(hào)后通過零階保持模塊、限幅模塊進(jìn)行信號(hào)處理，獲得穩(wěn)定的輸入信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模塊包括過零檢測模塊，用于檢測主回路電流信號(hào)過零點(diǎn)，過零檢測模塊的比較模塊與一個(gè)設(shè)定值進(jìn)行比較來檢測主回路電流信號(hào)是否過零點(diǎn)，使得過零點(diǎn)適當(dāng)提前， 所述設(shè)定值數(shù)據(jù)范圍為0 I。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種晶閘管反向恢復(fù)特性的動(dòng)態(tài)仿真模型的建模方法，在一般晶閘管仿真模型旁邊并聯(lián)一個(gè)可控電流源支路；控制模塊實(shí)現(xiàn)各種控制策略；采用數(shù)學(xué)表達(dá)式直接生成反向恢復(fù)電流的動(dòng)態(tài)值；根據(jù)關(guān)斷特性曲線確定數(shù)學(xué)表達(dá)式參數(shù)；采取限幅等信號(hào)處理方法；過零檢測適當(dāng)提前。該模型具有良好的精確性和易用性，有效解決晶閘管整流回路過電壓保護(hù)回路的參數(shù)設(shè)計(jì)難題，對(duì)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用都有著非常重要的參考意義。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102609594SQ20121005861
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者許其品, 邵宜祥, 郝勇 申請(qǐng)人:國電南瑞科技股份有限公司