3.2.7. Модели полупроводниковых ключевых элементов в SimPowerSystems

В разделе Power Electronics библиотеки SimPowerSystems содержатся блоки, представляющие собой виртуальные модели полупроводниковых элементов: диодов, тиристоров и транзисторов (рис. 3.25).

Полупроводниковые элементы из указанной библиотеки применяются только в качестве ключей и, к сожалению, не предусмотрено их использование в аналоговом режиме. Сразу же отметим, что среди упомянутых ключей отсутствует биполярный транзистор по причине постепенной замены на практике транзисторов этого типа на мощные полевые транзисторы.

Рис. 3.25. Окно с пиктограммами блоков элементов раздела Power Electronics.

Все виртуальные модели ключей снабжены портом m для вывода двух векторов-сигналов – тока ключа и напряжения на его выводах, а сам указанный порт может быть включен или выключен (на пиктограмме исчезает).

Запомним, что к включенному порту следует подсоединить измерительное устройство или специальную заглушку “Terminator” (“Simulink\Sinks”), иначе в командном окне будет сообщение о неподключенном порте.

К силовым выводам моделей вентилей подключена специально введенная демпфирующая цепочка Snubber, состоящая из последовательно соединенных резистора Rs и конденсатора Cs и предназначенная для гашения высокочастотных пульсаций и колебаний напряжения на вентиле. Подбор значений этих двух элементов позволяет формировать кривую сигналов вентилей. Важно отметить, что в некоторых случаях только после существенного уменьшения Rs до 10-50 Ом с последующим пробным запуском схемы и возвратом этого параметра, например, к 1000 Ом позволяет реализовать указанное действие.

Силовой диод Diode

Пиктограмма полупроводникового диода:

Назначение – моделирование полупроводникового диода.

Модель диода представлена в виде схемы замещения, содержащей резистор Ron, индуктивность Lon, источник постоянного напряжения Vf и ключ SW, включенные последовательно.

Параметры блока:

Resistance Ron (Ohms) – сопротивление во включенном состоянии;

Inductance Lon (H) – индуктивность во включенном состоянии;

Forward voltage Vf (V) – пороговое напряжение (напряжение отпирания);

Initial current Ic (A) – начальное значение тока. При значении параметра равном нулю, моделирование начинается при закрытом состоянии диода. Если параметр задан положительным значением, то моделирование будет начато при открытом состоянии диода.

Snubber resistance Rs (Ohms) – сопротивление демпфирующей цепи;

Snubber capacitance Cs (F) – емкость демпфирующей цепи Cs.

Управляет работой ключа блок логики. При положительном напряжении на диоде (Uak - Vf) происходит его включение (замыкание) и через прибор начинает протекать ток. Размыкание ключа (выключение диода) осуществляется при снижении до нуля тока Iak, протекающего через диод. Параллельно диоду подключена демпфирующая цепь Snubber, состоящая из последовательно соединенных резистора Rs и конденсатора Cs. Эта цепь является внутренней для модели и на пиктограмме не показана.

При моделировании схем, включающих в себя полупроводниковые диоды, может быть реализована любая идеализированная ВАХ диода вида: 1 - идеальный вентиль, 2 – идеализированный вентиль с потерями или 3 - идеализированный вентиль с потерями и порогом выпрямления (см. рис. 1.10).

Если задать внутреннее сопротивление Ron очень малым, например 1e-6, и пороговое напряжение (напряжение отпирания) Vf = 0, то получим ВАХ диода вида 1. Если задать реальное значение Ron и пороговое напряжение Vf = 0, то получим ВАХ диода вида 2. Когда задано реальное значение Ron и учитывается порог выпрямления Vf, получим идеализированную (аппроксимированную) ВАХ диода вида 3 - состоящую из двух отрезков прямых (в области прямых токов и напряжений).

На пиктограмме блока “Diode” имеются анод a и катод k, а также выходной порт m, в котором формируется векторный Simulink-сигнал из двух составляющих. Первая из них соответствует анодному току диода, вторая – напряжению на аноде диода.

Универсальный мост Universal Bridge

Пиктограмма универсального моста:

Назначение – моделирование универсального моста.

Модель позволяет выбирать количество плеч моста (от 1 до 3), вид полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры, идеальные ключи, а также полностью управляемые тиристоры, IGBT- и MOSFET-транзисторы, шунтированные обратными диодами). Вывод pulses является управляющим. В модели можно выбрать являются зажимы А, В и С входными или выходными, в первом случае получим выпрямитель, во втором - инвертор.

Параметры блока:

Number of bridge arms – число плеч моста. Выбирается из списка: 1, 2, 3;

Snubber resistance Rs (Ohms) – сопротивление демпфирующей цепи;

Snubber capacitance Cs (F) – емкость демпфирующей цепи.

Power Electronic device – вид полупроводниковых устройств моста, значение параметра выбирается из списка:

- Diodes – диоды;

- Thyristors – тиристоры;

- GTO/ Diodes –полностью управляемые тиристоры, шунтированные обратными диодами;

- MOSFET/ Diodes – MOSFET-транзисторы, шунтированные обратными диодами;

- IGBT/ Diodes – IGBT- транзисторы, шунтированные обратными диодами;

- Ideal Switches – идеальные ключи.

Resistance Ron (Ohms) – сопротивление во включенном состоянии;

Inductance Lon (H) – индуктивность во включенном состоянии;

Forward voltage Vf (V) – пороговое напряжение (напряжение отпирания).

Measurements – измеряемые переменные. Параметр для выбора передаваемых в блок “Multimeter” переменных, которые можно наблюдать с помощью мультиметра. Значения параметра выбирается из списка:

- None – нет переменных для отображения;

- Device voltages – напряжение на полупроводниковых устройствах;

- Device currents – токи полупроводниковых устройств;

- UAB UBC UCA UDC voltages – напряжения на зажимах моста;

- All voltages and currents – все напряжения и токи моста.