毕业设计论文-晶闸管的仿真与设计

毕业设计论文-晶闸管的仿真与设计内容摘要：

MATLAB (R13) SIMULINK5 (R13) (R14) (R14SP1) (R14 SP2) (R14 SP3) (R2020a) (R2020b) (R2020c) MATLAB 与 SIMULNK 的特点 （ 1） MATLAB 的特点 自从 MathWorks 公司推出 MATLAB 后， MATLAB 以其优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力很快在数学软件中脱颖而出。 随着版本的不断升级，它在数值计算及符号计算功能上得到了进一步的完善。 MATLAB 的特点可以概括为以下七点： ①提供了便利的开发环境。 MATLAB 提供了一组可供用户 操作函数和文件的具有图形用户界面的工具，包括 MATLAB 主界面、命令窗口、历史命令、编辑和调试、在线浏览帮助、工作空间、搜索路径设置等可视化工具窗口。 ②提供了强大的数字应用功能。 MATLAB 可惊醒包括基本函数、复杂算法、更高级的矩阵运算等非常丰富的数学应用功能，特别适合矩阵代数领域。 它还具有许多高性能数学计算的高级算法，库函数极其丰富，使用方法方便灵活。 ③编程语言简高效。 MATLAB 提供了和 C 语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB 的运算符将使程序变得极为简单。 MATLAB 既提供有结 构化的控制语句，又有面向对象编程的特性。 MATLAB 程序书写形式自由，利用丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。 程序限制不严格，程序设计自由度大，并有很强的用户自定义函数的能力。 ④强大的绘图能力，便于数据可视化： MATLAB 不仅能绘制多种不同坐标系中的二维曲线，还能绘制三维曲面，体现了强大的绘图能力。 正是这种能力为数据的图形化表示 (即数据可视化 )提供了有力工具，使数据的展示更加形象生动，有利于揭示数沈阳化工大学学士学位论文 第二章 电力系统仿真软件介绍 7 据间的内在关系。 ⑤语言简洁，编程效率高：因为 MATLAB 定义了 专门用于矩阵运算的运算符，使得矩阵运算就像列出算式执行标量运算一样简单，而且这些运算符本身就能执行向量和标量的多种运算。 利用这些运算符可使一般高级语言中的循环结构变成一个简单的MATLAB 语句，再结合 MATLAB 丰富的库函数可使程序变得相当简短，几条语句即可代替数十行 C 语言或 Fortran 语言程序语句的功能。 ①应用程序接口功能强大， 在 MATLAB 中，矩阵运算是把矩阵视为一个整体来进行，基本上与线性代数的处理方法一致。 矩阵的加减乘除、乘方开方、指数对数等运算，都有一套专门的运算符或运算函数。 而对于数 组，不论是算术的运算，还是关系或逻辑的运算，甚至于调用函数的运算，形式上可以当作整体，有一套有别于矩阵的、完整的运算符和运算函数，但实质上却是针对数组的每个元素施行的。 ②但是 MATLAB 还是有一定的缺点的。 和其他的高级成粗相比， MATLAB 撑血的执行速度较慢。 由于 MATLAB 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，因此速度较慢。 （ 2） SIMULINK的特点 SIMULINK 是一种强有力的仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小的代价来模拟真实动态系统的运行。 SIMULINK 准备有数 百种福定义的系统环节模型、最先进的有效积分算法和直观的图示化工具。 依托 SIMULINK 强健的仿真能力，用户在原型机制造之前就可建立系统的模型，从而评估设计并修复瑕疵。 SIMULINK 具有如下的特点： ①建立动态的系统模型并进行仿真。 SIMULINK 是一种图形化的仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。 由于支持线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构， SIMULINK 几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。 ②以直观的方式建模。 利用 SIMULINK 可视化的建模方式，可迅速地建立 动态系统的框图模型。 只需在 SIMULINK 元件库中选出合适的模块并施放到 SIMULINK 建模窗口，鼠标点击连续就可以了。 SIMULINK 标准库拥有超过 150 中，可用于构成各种不同种类的动态模型系统。 模块包括输入信号源、动力学元件、代数函数和非线性函数、数据显示模块等。 SIMULINK 模块可以被设定为触发和使能的，用于模拟大模型系统中存在条件作用的子模型的行为。 沈阳化工大学学士学位论文 第二章 电力系统仿真软件介绍 8 ③增添定制模块元件和用户代码。 SIMULINK 模块库是可制定的，能够扩展以包容用户自定义的系统环节模块。 用户也可以修改已有模块的图标，重新设 定对话框，甚至换用其他形式的弹出菜单和复选框。 SIMULINK 允许用户吧自己编写的 C、FORTRAN、 Ada 代码直接植入 SIMULINK 模型中。 ④快速、准确地进行设计模拟。 SIMULINK 优秀的积分算法给非线性系统仿真带来了极高的精度。 先进的常微分方程求解器可用于求解刚性和非刚性的系统、具有时间触发或不连续的系统和具有代数环的系统。 SIMULINK 的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真速度、准确地进行。 同时， SIMULINK 还未用户准备一个图形化的调试工具，以辅助用户进行系统开发。 ⑤分层 次的表达复杂系统。 SIMULINK 的分级建模能力使得体积庞大、结构复杂的模型构建也简便易行。 根据需要，各种模块可以组织成若干子系统。 在此基础上，整个系统可以按照自定向下或自底向上的方式搭建。 子模型的层次数量完全取决于所构建的系统，不受软件本身的限制。 为方便大型复杂结构系统的操作， SIMULINK 还提供了模型结构浏览的功能。 ⑥交互式的仿真分析。 SIMULINK 的示波器可以动画和图像显示数据，运行中可调整模型参数进行 Whatif 分析，能够在仿真运算进行时监视仿真结果。 这种交互式的特征可以帮助用户快速 的评估不同的算法，进行参数优化。 由于 SIMULINK完全集成于 MATLAB，在 SIMULINK下计算的结果可以保存到 MATLAB工作空间之中，因而就能使用 MATLAB 所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。 （ 3） SimPowerSystems 库的特点 使用标准的电气符号进行电力系统的拓扑图形建模和仿真。 ①标准的 AC 和 DC 电机模型模块、变压器、输电线路、信号和脉冲发生器、 HVDC控制、 IGBT 模块和大量设备模型。 ②使用 SIMULINK 强有力的变步长积分器和零点越检测功能，给出高度精确的 电力系统仿真计算结果。 ③利用定步长梯形积分算法进行仿真计算，为快递仿真和实时仿真提供模型离散化方法。 这一特性能够显著提高仿真计算的速度 —— 尤其是那些带有电力电子设备的模型。 另外，由于模型被离散化，因此可用 RealTime Workshop 生成模型的代码，沈阳化工大学学士学位论文 第二章 电力系统仿真软件介绍 9 进一步提高仿真的速度。 ④利用 Powergui 交互式工具模块可以修改模型的初始状态，从任何起始条件开始进行仿真分析，例如计算电路的状态空间表达、计算电流和电压的稳态解、设定或回复初始电流 /电压状态、电力系统的潮流计算等。 ⑤提供了 扩展的电力系统设备模块，如电力机械、功率电子元件、控制测量模块和三厢元器件。 ⑥提供大量功能演示模型，课直接运行仿真或进行案列学习。 正因为这样的方便特点，所以对于晶闸管的仿真与设计，可以应用 SIMULINK 来进行 [3]。 沈阳化工大学学士学位论文 第四章 单结晶体管的触发电路 10 第三章 晶闸管的基本理论 晶闸管的工作原理 晶闸管是一种大功率 PNPN 四层半导体元件，具有三个 PN 结，引出三个极，阳极 A、 阴极 K、门极（控制极） G，其外形及符号如图 11 所示，各管脚名称（阳极 A、阴极 K、 具有控制作用的门极 G）标于图 31 中。 图 31 晶闸管简介图 晶闸管的工作原理如下： 当晶闸管承受反向阳极（电压时， 无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压， 晶闸管不导通，只有很小的的反向漏电流流过管子，这种状态称为反向阻断状态。 说明晶闸 管像整流二极管一样，具有单向导电性。 当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管 不导通， 这种状态称为正向阻断状态。 这是二极管所不具备的。 当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态 称为正向导通状态。 这就是晶闸管闸流特性，即可控特性。 晶闸管一旦导通后维持阳沈阳化工大学学士学位论文 第四章 单结晶体管的触发电路 11 极电压不变，将触发电压撤除管子依然处于导通状态。 晶闸管的工作过程 晶闸管是四层三端器件，它有 J J J3 三个 PN 结图 1，可以把它中间的 NP分成两部分，构成一个 PNP 型三极管和一个 NPN 型三极管的复合管。 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的 PN 结J2 失去阻挡作用。 图 2 中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。 因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流 Ig 流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。 设 PNP 管和 NPN 管的集电极电流相应为 Ic1 和 Ic2；发射极电流相应为 Ia 和 Ik；电流放大系数相应为 a1=Ic1/Ia 和 a2=Ic2/Ik，设流过 J2 结的反相漏电电流为 Ic0, 晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或 Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0 （ 31） 若门极电流为 Ig,则晶闸管阴极电流为 Ik=Ia+Ig,从而可以得出晶闸管阳极电流为： I=(Ic0+Iga2)/（ 1（ a1+a2）） （ 32） 硅 PNP管和硅 NPN 管相应的电流放大系数 a1 和 a2 随其发射极电流的改变而急剧变化 . 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（ 32）中， Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流 Ia≈ Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。 当晶闸管在正向阳极电压下，从门极 G 流入电流 Ig,由于足够大的 Ig 流经 NPN 管的发射结，从而。