1、 目錄1課程設計說明11.1課程設計內容11.2課程設計要求12 matlab介紹22.1 matlab主要功能22.2 matlab/simulink的使用22.3 matlab/simulink的啟動方法23系統構建與仿真33.1 晶閘管元件應用系統的建模與仿真實例33.2 可關斷晶閘管元件組成的buck變換器仿真53.3 晶閘管單相交流調壓電路的建模和仿真73.4 晶閘管三相橋式整流器的建模和仿真83.5 絕緣柵雙極型晶體管構成的boost直流變換器仿真104課程設計總結125參考資料131課程設計說明1.1課程設計內容 （1）晶閘管的仿真模型及以單相半波整流器為例，說明晶閘管元件應用系

2、統的建模和與仿真方法； （2）可關斷晶閘管的仿真模型及以可關斷晶閘管元件組成的buck變換器為例的仿真過程； (3)相位控制的晶閘管單相機癌瘤調壓器帶電阻負載時系統的建模與仿真； （4）晶閘管三相橋式整流帶電阻負載時系統的建模與仿真； （5）絕緣柵雙極型晶體管元件的仿真模型及一個有igbt元件組成的boost變換器的建模與仿真；1.2課程設計要求 （1）了解和掌握matlab軟件的仿真功能； （2）完成相應系統模型的建模、參數設置及仿真調試； （3）寫出設計報告； 2 matlab介紹matlab7.0是美國mathworks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計

3、算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括matlab和simulink兩大部分。 matlab7.02009版本，高級技術計算語言和交互式環境可以較使用傳統的編程語言（如 c、c+ 和 fortran）更快地解決技術計算問題.2.1matlab主要功能 （1）交互式工具可以按迭代的方式探查、設計及求解問題；（2）此高級語言可用于技術計算；（3）此開發環境可對代碼、文件和數據進行管理；（4）各種工具可用于構建自定義圖形用戶界面；（5）各種函數可將基于 matlab 的算法與外部應用程序和語言（如 c、c+、fortran、java、com 以及 microsoft excel）集成；（6）數學

4、函數可用于線性代數、統計、傅立葉分析、篩選、優化以及數值積分等；（7）二維和三維圖形函數可用于可視化數據；2.2 matlab/simulink的使用 simulink是matlab軟件的擴展，它是實現動態系統建模和仿真的一個軟件包，它與matlab語言的主要區別在于、它與用戶交互接口是基于windows的模型化圖形輸入的，從而使得用戶可以把更多的經歷系統模型的構建而非語言的編程上。 所謂模型化圖形輸入是指simulink提供了一些功能分類的基本系統模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入、輸出及模塊的的功能，而不必考察模塊內部是怎樣實現的，通過對這些基本模塊的調用，再將它們連接起來就可以構成所需要

5、的系統模型（以.mdl文件進行存取），進而進行仿真與分析。2.3 matlab/simulink的啟動方法（1）啟動matlab后，單擊matlab主窗口模塊按鈕來打開simulink library browser窗口；（2）在matlab的命令窗口輸入“simulink”，結果是將在桌面上出現一個稱為simulink library browser的窗口，3系統構建與仿真3.1晶閘管元件應用系統的建模與仿真實例晶閘管是一種可以通過門極信號觸發導通的半導體器件。晶閘管仿真模型由一個電阻r、一個電感l、一個直流電壓源v，和一個開關串聯組成。開關受邏輯信號控制，該邏輯信號由電壓、電流和門極觸發信

6、號（g）決定。晶閘管元件的符號和仿真模型如圖3-1所示。圖3-1 晶閘管元件的符號和仿真模型晶閘管模塊還包括一個rc串聯緩沖電路，它通常與晶閘管并聯。緩沖電路的r和c值可以設置，當指定c=inf時，緩沖電路為純電阻；當指定r=0時，緩沖電路為純電容；當指定r=inf或c=0時，緩沖電路去除。如圖3-2所示 (a)帶緩沖電路的圖標 (b)不帶緩沖電路的圖標圖3-2 晶閘管模塊的圖標 晶閘管單相半波可控整流電路圖及原理如下：圖3-3 單相半波可控整流電路（阻-感性負載）圖 如上圖所示，當晶閘管vt處于斷態時，電路中電流id=0，負載上的電壓為0，u2全部加在vt兩端，在觸發角處，觸發vt使其導通，

7、u2加于負載兩端，由于電感l的存在使電流id不能突變，id從0開始增加同時l的感應電動勢試圖阻止id增加，這時交流電源一方面供給電阻r消耗的能量，一方面供給電感l吸收的電磁能量，到u2由正變負的過零點處處id已經處于減小的過程中，但尚未降到零，因此vt仍處于導通狀態，當id減小至零，vt關斷并承受反向壓降，電感l延遲了vt的關斷時刻使ud波形出現負的部分。下面以一個單相半波整流器為例，來說明晶閘管元件應用系統的建模與仿真方法。建模及仿真步驟如下：（1）打開matlab軟件：（2）雙擊圖標“”，打開simulink library browser，點擊文“file”下的“new model”，新

8、建一個模型窗口，命名為“a1”；（3）在simulink library browser下面的搜索窗口分別輸入相應模塊的英文單詞，將相應的模塊添加到a1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（ac voltage source）、脈沖發生器（pulse generator）、晶閘管（thyristor）、示波器（scope）、電壓測量模塊（voltage measurement）、電流測量模塊（current measurement），demux、rlc串聯電路模塊（series rlc load）； （4）適當連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-4所示： 圖3-4單相半波整流器仿真模型 （4

9、）雙擊打開晶閘管對話框，按如下參數進行設置參數：ron=0.001；l=0h；vf=0.8v；r5=20；c5=4e-6f； （5）雙擊打開圖3-4中的電壓源模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：peak amplitude=220v,phase=0，frequency=50hz； （6）雙擊打開圖3-4中的rlc串聯電路模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：resistance=1、inductance=10mh、capaaitance=inf； 注意：晶閘管有一個以字母“m”命名的輸出端口，該端口輸出兩路信號：第一路為晶閘管的電流、第二路為晶閘管的電壓，將一個兩輸出的信號分離器連接

10、到晶閘管的m端上，再將信號分離器的兩個輸出信號接人四通道示波器，重命名該四通道示波器為scope(在示波器特性基礎對話框中將軸數設置為4可得到四通道示波器）。（9）建立給晶閘管thyristor提供觸發信號的同步脈沖發生器模型。仿真窗口中，命名為pulse，并將其輸出連接到thyristor的門極上。thyristor的觸發脈沖受電源控制。一個周期，給晶閘管thyristor提供一個觸發角為a的觸發脈沖，雙擊“pulse”模塊，參數設置如下圖3-5所示： 圖3-5 pulse參數設置對話框 (10)單擊圖標“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到單相半波整流器仿真結果圖如下圖3-6所示： 圖3

11、-6單相半波整流器仿真結果圖3.2可關斷晶閘管元件組成的buck變換器仿真 步驟如下：（1）打開matlab軟件：（2）雙擊圖標“”，打開simulink library browser，點擊文“file”下的“new model”，新建一個模型窗口，命名為“a1”；（3）在simulink library browser下面的搜索窗口分別輸入相應模塊的英文單詞，將相應的模塊添加到a1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（ac voltage source）、脈沖發生器（pulse generator）、晶閘管（thyristor）、示波器（scope）、電壓測量模塊（voltage meas

12、urement）、電流測量模塊（current measurement），demux、rlc串聯電路模塊（series rlc load）； （4）適當連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-7所示： 圖3-7可關斷晶閘管元件組成的buck變換器仿真模型參數設置如下： （5）雙擊打開圖3-7中的電壓源模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：amplitude=80； （6）雙擊打開圖3-7中的rlc串聯電路模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：resistance=5、inductance=20mh、capaaitance=inf； （7）雙擊打開圖3-7中的pulse，打開參數設置對話框

13、，按要求設置參數：amplitude=1，period=0.0002secs，pulse width=50，phase delay=0； （8）雙擊打開圖3-4中的diode，打開參數設置對話框，按要求設置參數：resistance ron=0.001，inductance=0，forward voltage=0.08，initial current=0，snubber resistance rs=500，snubber capacitancy=250e-9； (9)參數設置完后，單擊圖標“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到單相半波整流器仿真結果圖如下圖3-8所示： 圖3-8 單相半波整流

14、器仿真結果圖3.3晶閘管單相交流調壓電路的建模和仿真 操作步驟如下：（1）打開matlab軟件：（2）雙擊圖標“”，打開simulink library browser，點擊文“file”下的“new model”，新建一個模型窗口，命名為“a2”；（3）在simulink library browser下面的搜索窗口分別輸入相應模塊的英文單詞，將相應的模塊添加到a1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（ac voltage source）、脈沖發生器（pulse generator）、晶閘管（thyristor）、示波器（scope）、電壓測量模塊（voltage measurement）、

15、rlc串聯電路模塊（series rlc load）、電流測量模塊（current measurement）、地（ground）； （4）適當連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-9所示： 圖3-9 晶閘管單相交流調壓器電路的仿真模型 （4）分別雙擊打開晶閘管thyristor和thyristor1對話框，參數設置為：r=0.001；l=0h；vf=0.8；r=500；c=250e-9f, （5）雙擊打開圖3-9中的電壓源模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：peak amplitude=100v,phase=0，frequency=50hz； （6）雙擊打開圖3-9中的rlc串聯電路模塊

16、，打開參數設置對話框，按要求設置參數：resistance=1、inductance=10mh、capaaitance=inf； （7）雙擊打開圖3-9中的pulse1，打開參數設置對話框，按要求設置參數：amplitude=1，period=0.02secs，pulse width=40，phase delay=1/150； （8）雙擊打開圖3-9中的pulse2，打開參數設置對話框，按要求設置參數：amplitude=1，period=0.02secs，pulse width=40，phase delay=1/250； (9)參數設置完后，單擊圖標“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到如

17、圖3-10所示的仿真圖： 圖3-10晶閘管單相交流調壓器電路的仿真圖3.4晶閘管三相橋式整流器的建模和仿真 步驟如下：（1）打開matlab軟件：（2）雙擊圖標“”，打開simulink library browser，點擊文“file”下的“new model”，新建一個模型窗口，命名為“a3”； （3）在simulink library browser下面的搜索窗口分別輸入相應模塊的英文單詞，將相應的模塊添加到a1中，這些模塊的名稱分別是：交流電壓源（ac voltage source）、6脈沖發生器（synchronized 6-pulse generator）、通用橋（universa

18、l bridge）、示波器（scope）、電壓測量模塊（voltage measurement）、電流測量模塊（current measurement），rlc串聯電路模塊（series rlc load）、常量（constant）、multimeter； （4）適當連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-11所示： 圖3-11 晶閘管三相橋式整流器的仿真模型 （5）打開圖3-11中的電源模塊組，重新命名為a ,b ,c；打開參數設置對話框，按要求進行參數設置，主要的參數有交流峰值電壓、相位和頻率。三相電源的相位互差120度。峰值220v，頻率50hz； （6） 打開圖3-11的測量模塊組，重新

19、命名為vab、vac、vbc，用于測量三相交流線電壓，獲得同步電源。 （7）雙擊打開圖3-11中的rlc串聯電路模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：resistance=1、inductance=10mh、capaaitance=inf； (8)雙擊打開圖3-11中的同步6脈沖觸發器模塊，按要求設置同步6脈沖觸發器參數： （9）雙擊打開圖3-11中的晶閘管通用橋模塊，按要求設置晶閘管通用橋參數：rs=1e5，cs=inf，ronl=1e-3,forward voltage=0；在number of bridge arms的下拉菜單中選擇3，在power electronic device

20、的下拉菜單中選擇晶閘管thysistor； (10)參數設置完后，單擊圖標“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到單相半波整流器仿真結果圖如下圖3-12所示： 圖3-12 晶閘管三相橋式整流器的仿真結果圖 3.5絕緣柵雙極型晶體管構成的boost直流變換器仿真升壓式（boost)變換器的建模與仿真步驟如下：（1）打開matlab軟件：（2）雙擊圖標“”，打開simulink library browser，點擊文“file”下的“new model”，新建一個模型窗口，命名為“boost”；（3）在simulink library browser下面的搜索窗口分別輸入相應模塊的英文單詞，將相應

21、的模塊添加到a1中，這些模塊的名稱分別是：直流電壓源(dc voltage source）、脈沖發生器（pulse generator）、igbt模塊、二極管diode模塊、示波器（scope）、電壓測量模塊（voltage measurement）、電流測量模塊（current measurement），demux、rlc串聯電路模塊（series rlc load）； （4）適當連接后，可以得到仿真模型電路如下圖3-13所示： 圖3-13 igbt元件組成的buck變換器仿真模型 （5）雙擊打開圖313中的電壓源模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：amplitude=100； （6）

22、雙擊打開圖3-13中的3個rlc串聯電路模塊，打開參數設置對話框，按要求設置參數：r1=0、l1=2e-3、c1=inf；r2=0、l2=0mh、c2=2e-3；r3=0、l3=20mh、c3=inf； （7）雙擊打開圖3-13中的pulse，打開參數設置對話框，按要求設置參數：amplitude=1，period=0.0001secs，pulse width=50，phase delay=0； （8）雙擊打開圖3-13中的diode，打開參數設置對話框，按要求設置參數：resistance ron=0.001，inductance=0，forward voltage=0.8，initial

23、current=0，snubber resistance rs=500，snubber capacitancy=250e-9； (9)參數設置完后，單擊圖標“”，然后雙擊示波器，并單擊“”，就得到如圖3-14 升壓式（boost)變換器的建模與仿真圖： 圖3-14 升壓式（boost)變換器的建模與仿真圖 4 課程設計總結這次課程設計歷時二個星期多左右，通過這兩個星期的學習，發現了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經驗還是比較缺乏，理論聯系實際的能力還急需提高。課程設計是培養學生綜合運用所學知識發現、提出、分析和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發展的日新日異，電子技術已經成為當今世界空前活躍的領域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握電子的開發技術是十分重要的。而仿真軟件matlab中的simulink模塊中的simpowersyste