CN103838934B - 一种全关断过程的晶闸管宏模型及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种晶闸管模型及其控制方法，具体涉及一种全关断过程的晶闸管宏模型及其实现方法。晶闸管宏模型包括依次连接的主模块、控制模块和反向恢复模块，反向恢复模块与正向阻断恢复模块连接，正向阻断恢复模块包括二极管D4、控制开关SW2、受控电压源Egr和电阻Rgr；所述二极管D4的阴极与控制开关SW2的一端连接；所述受控电压源Egr与二极管D4的阳极连接；所述电阻Rgr与控制开关SW2的另一端连接；通过控制开关SW2逻辑判断比较关断角与晶闸管实时关断时间的大小。本发明采用在普通晶闸管宏模型中加入正向阻断恢复模块的方法，能完整反应晶闸管的关断过程，较准确地模拟晶闸管的各种工作状态和特性，有助于换流阀换相失败的研究。

Description

一种全关断过程的晶闸管宏模型及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种晶闸管模型及其控制方法，具体涉及一种全关断过程的晶闸管宏模型及其实现方法。
背景技术
晶闸管宏模型是以晶闸管外特性为基础，利用电路仿真软件中普通电气元器件构成的子电路来模拟特性。普通晶闸管宏模型以外特性为基础的集总参数电路和解析表达式构成，能反应晶闸管的开通、关断，反向恢复等工作特性；但是未对晶闸管的正向阻断恢复特性进行描述。而正向阻断恢复特性直接影响晶闸管关断过程的成败。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种全关断过程的晶闸管宏模型及其实现方法，本发明采用在普通晶闸管宏模型中加入正向阻断恢复模块的方法，能完整反应晶闸管的关断过程，准确地模拟晶闸管的各种工作状态和特性，有助于换流阀换相失败的研究。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种全关断过程的晶闸管宏模型，所述晶闸管宏模型包括依次连接的主模块、控制模块和反向恢复模块，其改进之处在于，所述反向恢复模块与正向阻断恢复模块连接，所述正向阻断恢复模块包括二极管D4、控制开关SW2、受控电压源Egr和电阻Rgr；所述二极管D4的阴极与控制开关SW2的一端连接；所述受控电压源Egr与二极管D4的阳极连接；所述电阻Rgr与控制开关SW2的另一端连接；通过控制开关SW2逻辑判断比较关断角与晶闸管实时关断时间的大小。
进一步地，所述主模块包括反并联的二极管Dbr和二极管Dbf；并联的电容Cf、电阻RL、受控电流源Irr和二极管Don-受控电压源EI串联支路；二极管Don-受控电压源EI串联支路由串联的二极管Don和受控电压源EI组成；与二极管Dbf和二极管Don阴极和阳极同方向；
所述控制模块包括并联的受控电流源IFC、电容Con、二极管D1-直流电压源VI串联支路和二极管D2；二极管D1-电压源VI串联支路由串联的二极管D1和直流电压源VI组成；所述二极管D1和二极管D2的阴极和阳极反方向；
所述反向恢复模块包括二极管D3-控制开关SW1串联支路；所述受控电压源Err与二极管D3的阳极连接；电阻Rrr与控制开关SW1的一端连接；二极管D3-控制开关SW1串联支路由串联的二极管D3和控制开关SW1；所述二极管的D3的阴极和电容Crr均与控制开关SW1的另一端连接；
在主模块和控制模块之间连接有二极管DGD和直流电压源EGD串联支路；所述二极管DGD和电压源EGD串联支路由串联的二极管DGD和直流电压源EGD组成。
本发明还提供一种全关断过程的晶闸管宏模型的实现方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
（1）建立正向阻断恢复模块，比较晶闸管关断角与晶闸管关断时间tq的大小；
（2）产生正向阻断恢复电流Igr；
（3）控制晶闸管在重新施加正向电压时的工作状态；
（4）若晶闸管已经正向导通，则控制开关SW2恢复断开状态。
进一步地，所述步骤（1）中，通过正向阻断恢复模块中的控制开关SW2逻辑判断比较晶闸管关断角与晶闸管实时关断时间tq的大小；当关断角小于晶闸管实时关断时间tq，即晶闸管在重新施加正向电压时未完成正向阻断恢复过程时，控制开关SW2闭合；当关断角小于晶闸管实时关断时间tq时，正向阻断恢复控制电流Igr=0，受控电流源IFC<0，晶闸管维持关断状态，维持控制开关SW2断开状态。
进一步地，所述步骤（2）中，控制开关SW2闭合，受控电压源Egr对电阻Rgr放电，产生正向阻断恢复控制电流Igr，进而使受控电流源IFC>0，Uctrl=0，EI=0，晶闸管在重新施加正向电压时导通；晶闸管导通后，控制开关SW2断开，则受控电压源Egr对电阻Rg充电，不产生正向阻断恢复控制电流Igr。
进一步地，所述步骤（3）中，利用控制模块中的受控电流源IFC的电流运算，控制晶闸管在重新施加正向电压时的工作状态；
控制模块中VI为1V的直流电压源，用以提供控制模块电压Uctrl=1的值；EI为电压控制的受控电压源，则：
EI＝UAK·Uctrl ①；
由上式可知，当Uctrl=0时EI=0，晶闸管导通；当Uctrl=1时EI=UAK，晶闸管关断；控制模块利用电流控制的受控电流源IFC对各支路电流的运算来实现对Uctrl的控制；IFC如下式所示：
IFC＝IG+α(If-IL)+Ir+Igr ②；
UAK为主模块中A和K两点之间的电压；IG表示二极管DGD和直流电压源EGD串联支路的电流；α是半试验系数，其值介于0和1之间；If为晶闸管正向电流：
If＝IAK+Icf+IDbf+IRL ③；
其中：IAK为二极管Don和受控电压源EI串联支路的电流；Icf为电容Cf支路的电流；IDbf为二极管Dbf支路的电流；IRL为电阻RL支路的电流；
IL为晶闸管的擎住电流，为常量，取决于晶闸管自身特性；Ir为晶闸管反向电流：
Ir＝Irr+IDbr ④；
其中：Irr为受控电流源Irr的电流；IDbr为二极管Dbr支路的电流；Igr为正向阻断恢复控制电流，表示电阻Rgr支路的电流；
当IFC>0，将对电容Con充电，当Con充电到上负下正时，Uctrl=0，晶闸管导通；反之不导通。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
本发明采用在普通晶闸管宏模型中加入正向阻断恢复模块的方法，能完整反应晶闸管的关断过程，准确地模拟晶闸管的各种工作状态和特性，有助于换流阀换相失败的研究。具体的：
1、本发明采用正向阻断恢复模块来模拟晶闸管的正向阻断恢复过程，可直观得到晶闸管在关断后任意时刻施加正向电压时，其电压电流的变化情况。
2、本发明采用支路电流计算和逻辑运算控制的方法，使描述的晶闸管正向阻断恢复特性更加精确可靠。
3，本发明提供的晶闸管宏模型可根据不同晶闸管的实际关断特性，灵活设计参数。
附图说明
图1是本发明提供的晶闸管宏模型结构图；
图2是本发明提供的关断时间为600us时，晶闸管开通、关断及施加正压全过程的电压电流波形；；
图3是本发明提供的关断时间为800us时，晶闸管开通、关断及施加正压全过程的电压电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明采用在普通晶闸管宏模型中加入正向阻断恢复模块的方法，能完整反应晶闸管的关断过程，准确地模拟晶闸管的各种工作状态和特性，有助于换流阀换相失败的研究。
本发明一种全关断过程的晶闸管宏模型，其结构图如图1所示，所述晶闸管宏模型包括依次连接的主模块、控制模块和反向恢复模块，其特征在于，所述反向恢复模块与正向阻断恢复模块连接，所述正向阻断恢复模块包括二极管D4、控制开关SW2、受控电压源Egr和电阻Rgr；所述二极管D4的阴极与控制开关SW2的一端连接；所述受控电压源Egr与二极管D4的阳极连接；所述电阻Rgr与控制开关SW2的另一端连接；通过控制开关SW2逻辑判断比较关断角与晶闸管实时关断时间的大小。
主模块包括反并联的二极管Dbr和二极管Dbf；并联的电容Cf、电阻RL、受控电流源Irr和二极管Don-受控电压源EI串联支路；二极管Don-受控电压源EI串联支路由串联的二极管Don和受控电压源EI组成；与二极管Dbf和二极管Don阴极和阳极同方向；
所述控制模块包括并联的受控电流源IFC、电容Con、二极管D1-直流电压源VI串联支路和二极管D2；二极管D1-电压源VI串联支路由串联的二极管D1和直流电压源VI组成；所述二极管D1和二极管D2的阴极和阳极反方向；
所述反向恢复模块包括二极管D3-控制开关SW1串联支路；所述受控电压源Err与二极管D3的阳极连接；电阻Rrr与控制开关SW1的一端连接；二极管D3-控制开关SW1串联支路由串联的二极管D3和控制开关SW1；所述二极管的D3的阴极和电容Crr均与控制开关SW1的另一端连接；
在主模块和控制模块之间连接有二极管DGD和直流电压源EGD串联支路；所述二极管DGD和电压源EGD串联支路由串联的二极管DGD和直流电压源EGD组成。
控制模块中的受控电流源IFC的电流运算，控制晶闸管在重新施加正向电压时的工作状态；
控制模块中VI为1V的直流电压源，用以提供控制模块电压Uctrl=1的值；EI为电压控制的受控电压源，则：
EI＝UAK·Uctrl ①；
由上式可知，当Uctrl=0时EI=0，晶闸管导通；当Uctrl=1时EI=UAK，晶闸管关断；控制模块利用电流控制的受控电流源IFC对各支路电流的运算来实现对Uctrl的控制；IFC如下式所示：
IFC＝IG+α(If-IL)+Ir+Igr ②；
UAK为附图1主模块中A和K两点之间的电压；IG表示二极管DGD和直流电压源EGD串联支路的电流；α是半试验系数，其值介于0和1之间；If为晶闸管正向电流：
If＝IAK+Icf+IDbf+IRL ③；
IAK为二极管Don和受控电压源EI串联支路的电流；Icf为电容Cf支路的电流；IDbf为二极管Dbf支路的电流；IRL为电阻RL支路的电流；
IL为晶闸管的擎住电流，为一常量，取决于晶闸管自身特性；Ir为晶闸管反向电流：
Ir＝Irr+IDbr ④；
Irr为受控电流源Irr的电流；IDbr为二极管Dbr支路的电流；Igr为正向阻断恢复控制电流，表示电阻Rgr支路的电流。当IFC>0，将对电容Con充电，当Con充电到上负下正时，Uctrl=0，晶闸管导通；反之不导通。
正向阻断恢复模块中SW2为控制开关。当关断角小于晶闸管关断时间tq时，即在重新施加正向电压时晶闸管不能完成正向阻断恢复过程时。控制开关SW2闭合，受控电压源Egr对电阻Rgr放电，产生正向阻断恢复控制电流Igr，进而使受控电流源IFC>0，Uctrl=0，EI=0，晶闸管在重新施加正向电压时导通。晶闸管导通后，控制开关SW2则断开。若关断角大于晶闸管的实时关断时间tq时，即在重新施加正压时刻，晶闸管已恢复正向电压阻断能力，则控制开关SW2维持断开状态，正向阻断恢复控制电流Igr=0，受控电流源IFC<0，晶闸管维持关断状态。其中关断时间为600us和800us时，晶闸管开通、关断及施加正压全过程的电压电流波形分别如图2和3所示。
本发明在晶闸管宏模型加入了正向阻断恢复模块，使之能完整和准确地描述晶闸管的关断过程。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种全关断过程的晶闸管宏模型，所述晶闸管宏模型包括依次连接的主模块、控制模块和反向恢复模块，其特征在于，所述反向恢复模块与正向阻断恢复模块连接，所述正向阻断恢复模块包括二极管D4、控制开关SW2、受控电压源Egr和电阻Rgr；所述二极管D4的阴极与控制开关SW2的一端连接；所述受控电压源Egr与二极管D4的阳极连接；所述电阻Rgr与控制开关SW2的另一端连接；通过控制开关SW2逻辑判断比较关断角与晶闸管实时关断时间的大小。
2.如权利要求1所述的晶闸管宏模型，其特征在于，所述主模块包括反并联的二极管Dbr和二极管Dbf；并联的电容Cf、电阻RL、受控电流源Irr和二极管Don-受控电压源EI串联支路；二极管Don-受控电压源EI串联支路由串联的二极管Don和受控电压源EI组成；二极管Dbf和二极管Don阴极和阳极同方向；
所述控制模块包括并联的受控电流源IFC、电容Con、二极管D1-直流电压源VI串联支路和二极管D2；二极管D1-直流电压源VI串联支路由串联的二极管D1和直流电压源VI组成；所述二极管D1和二极管D2的阴极和阳极反方向；
所述反向恢复模块包括二极管D3-控制开关SW1串联支路；所述受控电压源Err与二极管D3的阳极连接；电阻Rrr与控制开关SW1的一端连接；二极管D3-控制开关SW1串联支路由串联的二极管D3和控制开关SW1组成；所述二极管D3的阴极和电容Crr均与控制开关SW1的另一端连接；
在主模块和控制模块之间连接有二极管DGD和直流电压源EGD串联支路；所述二极管DGD和直流电压源EGD串联支路由串联的二极管DGD和直流电压源EGD组成。
3.一种如权利要求1-2中任一项所述的全关断过程的晶闸管宏模型的实现方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)建立正向阻断恢复模块，比较晶闸管关断角与晶闸管关断时间tq的大小；
(2)产生正向阻断恢复电流Igr；
(3)控制晶闸管在重新施加正向电压时的工作状态；
(4)若晶闸管已经正向导通，则控制开关SW2恢复断开状态。
4.如权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过正向阻断恢复模块中的控制开关SW2逻辑判断比较晶闸管关断角与晶闸管关断时间tq的大小；当关断角小于晶闸管关断时间tq，即晶闸管在重新施加正向电压且未完成正向阻断恢复过程时，控制开关SW2闭合；当关断角小于晶闸管关断时间tq时，正向阻断恢复电流Igr＝0，受控电流源IFC<0，晶闸管维持关断状态，维持控制开关SW2断开状态。
5.如权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制开关SW2闭合，受控电压源Egr对电阻Rgr放电，产生正向阻断恢复电流Igr，进而使受控电流源IFC>0，Uctrl＝0，EI＝0，晶闸管在重新施加正向电压时导通；晶闸管导通后，控制开关SW2断开，则受控电压源Egr对电阻Rg充电，不产生正向阻断恢复控制电流Igr，Uctrl表示控制模块电压。
6.如权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用控制模块中的受控电流源IFC的电流运算，控制晶闸管在重新施加正向电压时的工作状态；
控制模块中VI为1V的直流电压源，用以提供控制模块电压Uctrl＝1的值；EI为电压控制的受控电压源，则：
EI＝UAK·Uctrl ①；
由上式可知，当Uctrl＝0时EI＝0，晶闸管导通；当Uctrl＝1时EI＝UAK，晶闸管关断；控制模块利用电流控制的受控电流源IFC对各支路电流的运算来实现对Uctrl的控制；IFC如下式所示：
IFC＝IG+α(If-IL)+Ir+Igr ②；
UAK为主模块中A和K两点之间的电压；IG表示二极管DGD和直流电压源EGD串联支路的电流；α是半试验系数，其值介于0和1之间；If为晶闸管正向电流：
If＝IAK+Icf+IDbf+IRL ③；
其中：IAK为二极管Don-受控电压源EI串联支路的电流；Icf为电容Cf支路的电流；IDbf为二极管Dbf支路的电流；IRL为电阻RL支路的电流；
IL为晶闸管的擎住电流，为常量，取决于晶闸管自身特性；Ir为晶闸管反向电流：
Ir＝Irr+IDbr ④；
其中：Irr为受控电流源Irr的电流；IDbr为二极管Dbr支路的电流；Igr为正向阻断恢复电流，表示电阻Rgr支路的电流；
当IFC>0，将对电容Con充电，当Con充电到上负下正时，Uctrl＝0，晶闸管导通；反之不导通。
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