主要内容

三相大功率变换器设计和分析工作流

开放模式

这个例子展示了设计一个大功率变换器的主要步骤。高功率转换器是重要的未来的电迁移和微型智能电网"解决方案的构建块。万博 尤文图斯设计一个成本效益、轻量、高效转换器,您必须执行的详细分析不同的转换器的设计选择和部署场景。这个例子可以帮助你来模拟稳态,瞬态电、热特性的三相两级变换器使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)设备。

转换器设计与分析工作流

这个流程图显示如何执行一个转换器分析和研究设计决策的影响和组件的参数。这种分析可以让你找到一个有效的和具有成本效益的设计。

这个例子的n沟道IGBT和二极管块参数化正确捕获使用状态损失和切换损失。的建模选项参数被设置为n沟道IGBT的块电流-电压和电容特性。的二极管模型二极管块的参数设置表格式电流-电压曲线。制造商的特性曲线数据表提供这些块的参数。

如果你想使用这个例子为其他IGBT和二极管设备,进行权衡研究和设计优化,必须提供适当的参数化的数据有效的模拟。

的ee_converter_design_datasheet_igbt_parameterized_data垫的参数化数据文件包含n沟道IGBT,二极管,散热器,IGBT(理想,切换)。加载设备参数在工作区中,在MATLAB命令窗口,输入:

大功率变换器设计数据流图

这个图显示了数据流和相应的文件名中使用这个例子。

选择IGBT器件

这个例子是基于一个15 kW转换器在三相电网运营60赫兹的频率和电压为208 V。转换器的电流的均方根值等于15 e3 / (sqrt(3) * 208) = 41.6安培和峰值电流等于59安培。因为所需的最小直流总线电压等于2 * 208 *√(2/3)= 340伏,本例中选择一个标准的400 v直流总线。

由于转换器所需的电流和电压,需要一个IGBT额定超过450 vdc, 50。- 247包包含一个IGBT设备连续50安培的电流额定值和650伏特的评级。母线连接的寄生电感IGBT器件的直流总线被认为是30 nh。母线电感通过实验室测量或计算的三维电磁仿真。

提取IGBT参数

IGBT半导体开关设备是最用于大功率逆变器由于其独特的能力更好的切换频率,简单的门驱动器,和可用的额定功率。n沟道IGBT和IGBT(理想,切换)块Simscape™电气™库模型一个IGBT器件。两块不同的建模忠诚水平提供支持。万博1manbetxIGBT(理想,切换)块更适合系统级模拟。n沟道IGBT的块更适合的详细设计,比如门驱动程序设计和模拟开关电压和电流峰值。

n沟道IGBT块概述

n沟道IGBT块提供了一个详细的模型支持IGBT器件的非线性电流-电压特性的定义,通过物理方程或查找表。万博1manbetx它还支持非线性电万博1manbetx荷特性的定义通过简单的物理方程或查找表。块参数匹配厂家数据表中的数据。数据表的信息通常包括:

  1. $ $ I_ {ce} \;与\;V_ {ce} $ $在两个不同的结温度。

  2. 电容$ $ (C_ {ies} \;C_ {oes} \;C_ $ $ {res})的函数$ $ V_ {ce} $ $。

  3. 二极管$ $ I_ {F} $ $的函数$ $ V_ {F} $ $两个接点的温度。

  4. 参数(培养、标出或简单的热模型$ $ R_ {jc} \;和\;R_ {ca} $ $)。

  5. 开关损耗曲线$ $ E_上{}\;与\;I_ {ce} $ $和$ $ E_{了}\;与\;I_ {ce} $ $

您可以创建所需的列表数据块的数据表特征的情节。您可以执行更近似参数化使用数据表列表值。注意,许多只提供数据表$ $ I_ {ce} $与美元$ $ V_ {ce} $元数据$ $ V_ {ce} $5 v美元,但开关IGBT设备经过一个过渡从0 v直流总线电压。在这些情况下,为了避免外推非现实的当前值,提供了一些估计价值更高的电压范围。

在转换器,一个IGBT器件在开关模式下运行。良好的仿真速度和精度,必须确保准确和流畅$ $ I_ {ce} (V_{通用电气}\;V_ {ce} \;美元T_ {j})识别美元价值在collector-emitter电压越小。

这图显示了扩展数据表数据包括点的直流总线电压的装置。

%这情节展示了数字化设备电容特性。

这图显示了外部二极管正向电流特性$ $ I_ {F} (T_ {j}识别\;V F {}) $ $从IGBT获得,数据表。

模拟开关瞬态

这图显示了模拟n沟道IGBT开关接通和断开特征。

IGBT(理想,切换)图书馆

详细的n沟道IGBT块需要非常低的模拟时间步捕捉接通和断开瞬变。这减缓了模拟太多当块用于大型模型。提高仿真速度,您可以使用IGBT(理想,切换)。这是理想当你看着系统级谐波或热模拟包括散热器动力学和冷却。IGBT(理想,切换)块实现瞬时结温变化由于传导,接通和断开损失。

n沟道IGBT器件模型子系统

一个子系统参考模型包含参数化n沟道IGBT块。使用这个子系统定义块一次,然后使用它在多个模型。参考子系统包括终端引线寄生电感。

门驱动程序设计

Simscape电还能帮助你设计一个栅极驱动电路控制电力电子设备。这个示例模型三司机门开关半导体设备。

理想的门驱动器

理想的驱动程序模型充电登机口阻力和卸料门阻力和提供灵活性定义接通和断开门电压$ $ V_{通用电气}$ $。

门驱动器在电隔离(脉冲变压器)

与电隔离门驱动器是一个比起高频的基于变压器门驱动程序只需要一个门驱动器电源。这种供应电源电路的隔离。

模拟门驱动器与电磁隔离n沟道IGBT,打开ee_converter_design_igbt_switchingloss_testharness基金模型,在蒙面选择子系统,在右上角,选择与电磁隔离门驱动器。

门驱动器Opto-Coupler隔离

与光耦合器隔离门驱动器是一个紧凑的门驱动器较低的损失。这个门驱动器需要两个门驱动器电源互相隔离的电源电路。

模拟门驱动器与光耦合器隔离n沟道IGBT,打开ee_converter_design_igbt_switchingloss_testharness基金模型,在蒙面选择子系统,在右上角,选择门的司机opto-coupler。

测试工具对IGBT稳态特性

的ee_converter_design_igbt_iv_characteristics基金模型提供了测试工具绘制的稳定状态$ $ (I_ {ce} \;与\;美元V_ {ce})美元曲线不同的结温(T_ {j})识别美元美元美元和gate-emitter电压美元$ $ (V_{通用电气})美元。

IGBT稳态特性测试参数选择的面具

定义仿真参数,ee_converter_design_igbt_iv_characteristics基金模式,打开“指定测试参数”面具的右上角。然后点击“情节iv-characteristics”按钮来获得所需的电流-电压特性曲线。

测试工具对大功率变换器开关损耗估算

该模型ee_converter_design_igbt_switchingloss_testharness提供测试工具,情节的变化对这些IGBT开关损耗特性仿真参数:

  1. Collector-emitter当前$ $ (I_ {ce}) $ $

  2. PWM开关频率$ $ (f {pwm}) $ $

  3. Gate-emitter电压$ $ (V_{通用电气})$ $

  4. Collector-emitter电压$ $ (V_ {ce}) $ $

  5. 门阻力$ $ (R_ {gon} \;和\;R_ $ ${高夫})

  6. 结温$ $ $ $ (T_ {j}识别)

这个模型块IGBT的特点为双脉冲和正弦脉宽调制信号门。IGBT测试设备放置在较低(IGBTL)转换器的腿。门双脉冲信号用于确定单一接通和断开特征。使用正弦PWM调制信号门和集电极电流正弦输出模拟电压$ $ (V_ {ce}) $ $和当前$ $ (I_ {ce}) $ $压力IGBT-diode设备组合在一个典型的两级变换器。一个正弦输出负载电流为正弦电压调制信号可以模拟不同的功率因数,电源频率和开关频率。

在两级变换器,当底部IGBT器件是疯狂的,从上二极管传导转移到下IGBT IGBT-turn-off期间,反之亦然。母线电感影响断开开关损耗,它会创建整个设备断态电压尖峰。二极管储备恢复当前影响IGBT刺激特征。它创造了通过设备开态电流峰值。

开关损耗评估测试工具参数选择的面具

定义仿真参数和开关损耗特性,打开“ee_converter_design_igbt_switchingloss_testharness”模式,点击“指定测试条件”面具的右上角。点击“情节特点”按钮来获得所需的开关特性曲线。

估计IGBT(理想,切换)阻止参数n沟道IGBT

IGBT(理想,切换)块更适合模拟大型谐波模型和热分析。一些数据直接提供开关损耗$ $ E_上{}\;E_{了}$ $和$ $ V_ {ce} (T_ {j},识别I_ {ce}) $ $参数为特定门驱动器,母线的条件。

选择所需的开关损耗和电流-电压曲线是门阻力$ $ (R_ {gon} \;和\;R_ {}) $ $,gate-emitter电压$ $ (V_{通用电气})$ $和母线寄生电感。

的ee_converter_design_igbt_idealMLX住脚本文件提供一种方法来估计IGBT(理想,切换)块为用户定义的参数$ $ R_ {gon}, \ \; R_{了}\;V_{通用电气}$ $和电路寄生。

IGBT(理想,切换)设备和冷却回路模型子系统

IGBT的子系统参考模型(理想,切换)外部代表热电路通过使用junction-to-case热阻热质量和设备。一个变量强制冷却热沉的热阻模型。热阻是固定的基于整个散热器鳍片的冷却液流量。

模型结和温度上升情况下,你需要IGBT和二极管热质量参数。一些数据提供培养和标出热模型参数。最块的半导体&转换器图书馆Simscape电气直接使用这些参数。如果可能,使用标出热模型可以正确地将它们连接到任何其他热力循环。

三相高功率变换器与冷却系统

研究了温度上升,使用ee_converter_design_igbt_thermal_analysis基金模式。这个模型可以帮助你选择等设计参数所需的冷却系统,PWM技术和开关频率。它还可以帮助你选择各种仿真参数点击“参数选择”面具的右上角模型。

参数选择三相高功率转换器的面具

定义仿真参数和模拟IGBT结和温升,打开ee_converter_design_igbt_thermal_analysis基金模式,点击右上角的“参数选择”面具。模拟系统对于给定的测试条件,单击“加载参数和模拟”按钮。

IV特性仿真结果

在全系列第四特征

这个图展示了IGBT IV曲线$ $ V_ {ce} $ $从0到$ $ V_{直流}$ $

第四特点Vce附近(坐)

这个情节显示第四曲线接近IGBT使用状态$ $ V_ {ce} $ $电压从0到$ $ 2 v_ {cesat} $ $

模拟开关损耗特征单一的接通和断开

IGBT开关损耗值变化根据切换区域的定义和随心所欲的二极管的反向恢复。在这个例子中,一些二极管反向恢复是接通开关的一部分地区和任何功率损耗(Vce *冰)大于lossFactor *马克斯(Vce *冰)是一个开关损耗。这个示例使用lossFactor 0.02 (max交换式电源的2%)。在切换期间,任何功率损耗(Vce *冰)大于lossFactor *马克斯(Vce *冰)被认为是作为开关损耗。

模拟不同冰损失

这图显示了不同冰模拟损失。

模拟不同的Vce损失

这图显示了模拟不同的Vce损失。

模拟不同的Rg损失

这图显示了模拟不同的Rg损失。

模拟开关损耗为正弦负载电流和调制信号特征

模拟输出正弦负荷电流

这图显示了模拟输出正弦负载电流时f {pwm} = 3000 hz $ $ $ $。

模拟不同的集电极电流损失

这图显示了不同冰当模拟损失f {pwm} = 3000 hz $ $ $ $。

模拟不同的PWM频率损失

这图显示了模拟损失对不同PWM频率。

IGBT结和案例温度仿真结果

模拟IGBT和结温