专利名称：晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法
技术领域：
本发明涉及一种晶闸管反向恢复特性动态仿真模型的建模方法，能够直接用于晶闸管变流电路进行动态仿真，研究其中的反向恢复过电压问题，属于电力电子应用技术领域。
背景技术：
近年来，随着电力电子半导体元器件技术的飞速发展，大容量高性能的晶闸管元件被广泛应用，晶闸管的反向恢复过电压问题受到了越来越多的关注。众所周知，影响晶闸管反向恢复过电压的因素是多方面的，这种过电压的大小目前还难以精确计算，过电压保护回路的参数选择还缺乏充分的计算依据。如果保护回路的参数选择不当，达不到应有的吸收效果，反向恢复过电压不仅会直接导致元件击穿或者误导通，还会严重威胁到其他设备的绝缘寿命，造成巨大的经济损失。因此大容量晶闸管反向恢复过电压的保护技术是目前电力电子应用技术所面临的重要课题。由于晶闸管具有低掺杂、大注入的基区，在导通期间，内部充满着大量的载流子。 当元件加反向电压强制关断时，正向电流逐渐衰减到零。由于残留的载流子不能立即消失， 元件短时间之内仍保持导通状态，电流过零后继续沿反向流通。然后元件恢复阻断能力时， 反向电流急速地由从反向最大值衰减到稳态漏电流值。此时的尖峰脉冲di/dt极大,在回路电感上往往会产生很高的过电压。这就是晶闸管的反向恢复过程，如图I所示。目前，对于晶闸管反向恢复电流的数学模型，通常采用突然完全截止模型、指数函数模型、双曲函数模型等。一般情况下可以认为反向恢复电流是按指数函数规律衰减的，即
-di/dt xt t <t\iA(t) =_ t - t,
—Irr € Tt tl其中，h为反向恢复电流峰值的时刻，T为指数时间常数。很明显，采用指数函数来模拟反向恢复电流，能够有效克服假定晶闸管突然完全截止分析方法的缺点，对于绝大多数“软恢复”的晶闸管都很适合，能够得到较为精确的计
晳奸里异知米。可是，如果直接求解这种指数函数等值电路的微分方程组的话，是非常繁琐的，不太适合一般的工程应用。然而利用计算机仿真进行数值求解却能够解决这个问题。因此， 这就需要建立一种晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型，能够直接用于晶闸管变流电路进行动态仿真，实现动态研究变流装置中反向恢复过电压的计算机仿真平台。虽然目前也有人提出了一种采用晶闸管反向恢复等值电路的仿真求解方法，然而这种仿真都是仅仅局限于反向恢复后半部分的局部仿真，不是晶闸管整个反向恢复过程的仿真，更不能动态反映晶闸管反向恢复特性的整个过程。另外，也有人介绍了一些微观宏观相结合的晶闸管宏模型，采用电容的充放电特性来模拟反向恢复过程，其中电容的控制方式比较复杂，难以实现反向恢复特性精确模拟，不便于工程上直接应用。所以，建立一种动
3态的晶闸管反向恢复仿真模型对工程应用来说是非常必要的。
发明内容
本发明所要解决的关键问题是提供一种能准确模拟晶闸管反向恢复特性动态仿真模型的建模方法，这种模型能够直接用于晶闸管变流电路进行动态仿真，实现一种动态研究变流装置中晶闸管反向恢复过电压的计算机仿真平台。为解决上述技术问题，本发明提供一种晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于，在晶闸管仿真模型旁并联一个可控电流源模块，所述可控电流源模块在控制模块的控制下，根据主回路电流的变化情况，控制输出反向恢复电流的大小，补偿出需要的反向恢复电流，准确完整地反映晶闸管的反向恢复特性。前述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模块的工作过程为根据外部主回路的电流变化率di/dt及反向恢复电流的数学模型实时计算反向恢复电流的峰值和反向恢复电荷的大小，进一步实时计算出反向恢复电流的大小，然后直接控制可控电流源模块实时产生相应的反向恢复电流。前述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于反向恢复电流的数学模型为将晶闸管的关断特性曲线采用曲线拟合的方法，得到计算反向恢复电荷Qrr = f (di/dt)和反向恢复电流Irr = g (di/dt)的数学函数表达式。前述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于控制模块的工作过程为采集主回路(主回路是指晶闸管仿真模型构成的回路)电流信号后通过零阶保持模块、限幅模块进行信号处理，获得稳定的输入信号。前述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模块包括过零检测模块，用于检测主回路电流信号过零点，过零检测模块的比较模块与一个设定值进行比较来检测主回路电流信号是否过零点，使得过零点适当提前，所述设定值数据范围为0 I。本发明所达到的有益效果本发明通过在一般晶闸管仿真模型旁边附加并联一个可以直接控制的反向恢复电流支路，同时配合必要的控制模块和控制策略来控制该支路电流的变化规律，提供一种能准确模拟晶闸管反向恢复特性动态仿真模型，在此基础上进一步实现晶闸管变流装置中反向恢复过电压的动态仿真平台，为反向恢复变流装置中过电压保护回路的参数设计提供充分的计算依据。
图I为晶闸管的反向恢复过程；图2为晶闸管反向恢复特性动态仿真模型的建模方法示意图；图3为晶闸管反向恢复特性动态仿真模型的MATLAB模型主回路示意图；图4为晶闸管反向恢复特性动态仿真模型的MATLAB模型子系统I示意图；图5为动态模型的仿真波形图；图6为实际测量波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本明作进一步的说明。图2为晶闸管反向恢复特性动态仿真模型的建模方法示意图。本发明的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法主要包括以下步骤I)采用在一般晶闸管仿真模型旁边附加并联一个反向恢复电流支路的方法，解决一般晶闸管仿真模型不包含反向恢复过程的问题。该支路可以利用可控电流源模块来实现这种功能。该模块根据主回路电流的变化情况，控制输出反向恢复电流的大小，补偿出需要的反向恢复电流，准确完整地反映晶闸管的反向恢复特性。2)通过添加适当的控制模块来实现可控电流源模块的控制策略。控制模块根据外部主回路的电流变化率di/dt实时计算反向恢复电流的峰值和反向恢复电荷的大小，从而实时计算出反向恢复电流的大小，然后直接控制可控电流源模块实时产生相应的反向恢复电流。该过程必须是完全实时的，才能实现对整个反向恢复过程的动态模拟，才能直接应用到更加复杂的整流仿真电路中。因此这种动态仿真模型具有良好的适应性。3)控制策略之一采用数学函数表达式直接计算的方法实时生成反向恢复电流的动态值。这是本方法与其他仿真方法区别的一个主要特征。这种方法的优点是可以通过数学函数表达式任意选择反向恢复电流的数学模型，例如指数函数模型、突然截止模型、 双曲函数模型等，甚至也可以根据各种晶闸管元器件的不同特性来优化选择其他的数学模型，因此这种计算恢复电流的方法具有极好的灵活性和通用性。4)控制策略之二 根据具体型号晶闸管元器件产品说明书中的关断特性曲线确定计算反向恢复电流的数学函数表达式。这是本方法与其他仿真方法区别的另一个主要特征。通常晶闸管厂家会随着产品说明书提供该型号元器件的各种试验数据，包括关断特性曲线(伏安特性曲线)。将关断特性曲线采用曲线拟合的方法，得到计算恢复电荷Qrr = f (di/dt)和恢复电流Irr = g (di/dt)的数学函数表达式,从而保证了模型的动态参数与晶闸管的特性曲线是完全一致的。每一种型号晶闸管的动态参数都是不一样的，因此这种方法具有很强的针对性。5)控制策略之三控制模块采集主回路电流信号后需要采取适当的信号处理方法，才能获得稳定的输入信号。否则由于主回路电流率di/dt变化很快，可能会导致实时计算反向恢复电流产生很大的偏差，难以获得正常稳定的反向恢复电流波形。对于这种情况， 需要采用零阶保持模块、限幅模块等进行信号处理，才能获得满意的效果。6)控制策略之四控制模块检测主回路电流信号过零点时需要有一个适当的提前时间，才能保证反向恢复电流波形正向部分和反向部分的正常衔接。否则会导致生成的反向恢复电流波形的反向部分产生较大的延迟，不能获得正常连续的反向恢复电流波形。 因此过零检测部分的比较模块不是直接与零比较的，而是应与一个较小的数进行比较，才能使得过零点适当提前。鉴于MATLAB作为目前工程上广泛使用的建模仿真软件，具有良好的易用性、灵活性和通用性。因此在这里以MATLAB软件作为建模仿真工具，十分有利于该方法在工程上推广应用。下面以ABB公司生产的晶闸管5STP18L4200为例，来说明晶闸管反向恢复特性动态仿真模型建模方法的具体实施方式
，如图3所示。(I)根据5STP18L4200产品说明书中的关断特性曲线，利用MATLAB多项式曲线拟合功能得到计算Qrr和Irr的三次拟合多项式,从而保证反向恢复模型的参数与关断特性曲线是完全一致的。(2)新建MATLAB空白模型文件，在电力系统工具箱中复制晶闸管模块、可控电流源模块，并将两者并联组成模型的主电路部分，其中可控电流源的作用是产生反向恢复电流。(3)模型的关键是反向恢复电流的控制部分，主要由一些信号处理模块组成。其中，微分模块计算出晶闸管模块电流的变化率di/dt ;后面跟着的是限幅模块，防止微分模块输出过大超出di/dt的有效范围；关系运算模块判断晶闸管模块电流衰减到零的时刻， 实际衰减到0. 5是为了能有一点提前，当电流衰减到零时触发使能子系统I来产生反向恢复电流信号去控制可控电流源。(4)使能子系统I内部主要是采用三个数学函数模块分别计算出Irr、Qrr, x的值，如图4所示。积分模块计算反向恢复电流峰值Irr之前直线部分的波形。使能子系统 2内部主要是一个指数函数计算模块，计算反向恢复电流峰值Irr之后指数衰减部分的波形。选择开关模块控制反向恢复电流的输出，在没有反向恢复的时候输出为零。(5)最后，将整个系统封装成一个子系统，于是就得到5STP18L4200具有反向恢复特性的动态仿真模型。采用以上方法所建动态模型的仿真波形与实际测量波形对比如图4所示。为便于比较，晶闸管模型的仿真参数采用与测量条件相同的电路参数。仿真参数设置如下U1 = 200V, Rl = 5 Q , U2 = -800V, R2 = 0. 001Q,L = IOluH, Rs = IOQ ,Cs = luF。对比图4可以看出，仿真波形与实际测量波形是非常接近的，误差基本上在10%以内， 这充分说明了所建模型能够正确地反映反向恢复的整个过程，准确地反映了晶闸管的反向恢复特性。该动态模型成功解决了整流装置晶闸管换相过电压的计算机仿真问题，模型具有良好的精确性和易用性，可以直接应用到晶闸管整流回路中。在此基础上进一步实现晶闸管变流装置中反向恢复过电压的动态仿真平台，研究电路中的反向恢复过电压的大小问题，为反向恢复变流装置中过电压保护回路的参数设计提供充分的计算依据，有效解决晶闸管整流回路过电压保护回路的参数设计难题，对过电压保护回路的工程设计和应用都有着非常重要的参考意义。以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于，在晶闸管仿真模型旁并联一个可控电流源模块，所述可控电流源模块在控制模块的控制下，根据主回路电流的变化情况，控制输出反向恢复电流的大小，补偿出需要的反向恢复电流，准确完整地反映晶闸管的反向恢复特性。
2.根据权利要求I所述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模块的工作过程为根据外部主回路的电流变化率di/dt及反向恢复电流的数学模型实时计算反向恢复电流的峰值和反向恢复电荷的大小，进一步实时计算出反向恢复电流的大小，然后直接控制可控电流源模块实时产生相应的反向恢复电流。
3.根据权利要求I所述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于反向恢复电流的数学模型为将晶闸管的关断特性曲线采用曲线拟合的方法，得到计算反向恢复电荷Qrr = f (di/dt)和反向恢复电流Irr = g (di/dt)的数学函数表达式。
4.根据权利要求2所述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于控制模块采集主回路电流信号后通过零阶保持模块、限幅模块进行信号处理，获得稳定的输入信号。
5.根据权利要求I所述的晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，其特征在于所述控制模块包括过零检测模块，用于检测主回路电流信号过零点，过零检测模块的比较模块与一个设定值进行比较来检测主回路电流信号是否过零点，使得过零点适当提前， 所述设定值数据范围为0 I。
全文摘要
本发明涉及一种晶闸管反向恢复特性的动态仿真模型的建模方法，在一般晶闸管仿真模型旁边并联一个可控电流源支路；控制模块实现各种控制策略；采用数学表达式直接生成反向恢复电流的动态值；根据关断特性曲线确定数学表达式参数；采取限幅等信号处理方法；过零检测适当提前。该模型具有良好的精确性和易用性，有效解决晶闸管整流回路过电压保护回路的参数设计难题，对工程设计和应用都有着非常重要的参考意义。
文档编号G06F17/50GK102609594SQ20121005861
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者许其品, 邵宜祥, 郝勇 申请人:国电南瑞科技股份有限公司