CN213276648U - 一种用于电力电子系统的仿真电路和仿真系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电力电子系统的仿真电路和仿真系统。包括：浪涌发生器、被保护电路以及压敏电阻等效电路并联连接，压敏电阻等效电路包括电感、电阻、双向瞬态抑制二极管以及电容，电感的第一端与双向瞬态抑制二极管的第一端连接，电感的第二端与电阻的第一端连接，电阻的第二端分别与电容的第一端、浪涌发生器的第一端以及被保护电路的第一端连接，双向瞬态抑制二极管的第二端分别与电容的第二端、浪涌发生器的第二端以及被保护电路的第二端连接。利用瞬态抑制二极管的箝位特性替代压敏电阻的电压特征，由于压敏电阻的等效电路中不包含非线性阻容器件，无需确定非线性阻容器件的参数，从而可以减小压敏电阻的仿真时长，提高仿真效率。

Description

一种用于电力电子系统的仿真电路和仿真系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种用于电力电子系统的仿真电路和仿真系统。

背景技术

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件(如晶闸管、IGBT等)对电能进行变换和控制的技术。

计算机仿真技术具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。

在防雷和电力电子防护领域，压敏电阻是极为重要的器件，占有重要的地位。在对压敏电阻进行仿真时，压敏电阻的仿真模型如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)所示，从图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)中可以看出，仿真模型中都存在非线性阻容器件，在仿真的过程中，需要确定非线性阻容器件的参数，然而，非线性阻容器件的参数需要反复试验才能确定，仿真时间较长。

发明内容

本实用新型提供一种用于电力电子系统的仿真电路和仿真系统，用以解决现有技术中存在的对压敏电阻进行仿真时，仿真时间长的问题。

第一方面，本实用新型实施例提供一种用于电力电子系统的仿真电路，包括浪涌发生器、被保护电路以及压敏电阻等效电路，其中：

所述浪涌发生器、所述被保护电路以及所述压敏电阻等效电路并联连接；

所述压敏电阻等效电路包括电感、电阻以及瞬态抑制二极管；

所述电感的第一端与所述瞬态抑制二极管的第一端连接，所述电感的第二端与所述电阻的第一端连接；

所述电阻的第二端分别与所述浪涌发生器的第一端和所述被保护电路的第一端连接；

所述瞬态抑制二极管的第二端分别与所述浪涌发生器的第二端和所述被保护电路的第二端连接。

在一种可能的实现方式中，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管或双向瞬态抑制二极管。

在一种可能的实现方式中，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；

若所述浪涌发生器的第二端为正极，则所述瞬态抑制二极管的第二端为负极。

在一种可能的实现方式中，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；

若所述浪涌发生器的第二端为负极，则所述瞬态抑制二极管的第二端为正极。

在一种可能的实现方式中，该电路还包括电容；

所述电容的第一端与所述电阻的第二端连接，所述电容的第二端与所述瞬态抑制二极管的第二端连接。

第二方面，本实用新型实施例提供一种用于电力电子系统的仿真系统，包括如第一方面中任一所述的仿真电路。

本实用新型实施例中，仿真电路包括浪涌发生器、被保护电路以及压敏电阻等效电路，其中浪涌发生器、被保护电路以及压敏电阻等效电路并联连接，压敏电阻的等效电路包括电感、电阻以及瞬态抑制二极管，电感的第一端与瞬态抑制二极管的第一端连接，电感的第二端与电阻的第一端连接，电阻的第二端分别与浪涌发生器的第一端和被保护电路的第一端连接，瞬态抑制二极管的第二端分别与浪涌发生器的第二端和被保护电路的第二端连接。利用瞬态抑制二极管的箝位特性替代压敏电阻的电压特征，由于压敏电阻的等效电路中不包含非线性阻容器件，因此，无需确定非线性阻容器件的参数，从而可以减小压敏电阻的仿真时长，提高仿真效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为现有技术中压敏电阻的仿真模型的电路示意图之一；

图1(b)为现有技术中压敏电阻的仿真模型的电路示意图之一；

图1(c)为现有技术中压敏电阻的仿真模型的电路示意图之一；

图1(d)为现有技术中压敏电阻的仿真模型的电路示意图之一；

图1(e)为现有技术中压敏电阻的仿真模型的电路示意图之一；

图1(f)为现有技术中压敏电阻的仿真模型的电路示意图之一；

图2为本实用新型实施例提供的一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的又一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的又一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的又一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图6为本实用新型实施例提供的又一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图7为本实用新型实施例提供的又一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图8为本实用新型实施例提供的又一种用于电力电子系统的仿真电路示意图；

图9为本实用新型实施例提供的压敏电阻的仿真残压与电流波形示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

近年来，压敏电阻的需求量越来越大，由于压敏电阻的体积小，性能高，被多个领域所运用。

压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压箝位，吸收多余的电流以保护敏感器件。压敏电阻是一种限压型保护器件，利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻将电压箝位到同一个相对固定的电压值，从而实现对敏感器件或电路的保护。

鉴于现有技术中，对压敏电阻进行仿真时，由于需要确定压敏电阻的仿真模型中非线性阻容器件的参数，从而仿真时间长的问题，本实用新型提供了一种用于电力电子系统的仿真电路和仿真系统，用以减小仿真时长，提高仿真效率。

下面结合附图对本实用新型实施例提供的方案进行详细说明。

如图2所示，为本实用新型实施例提供的一种用于电力电子系统的仿真电路，包括浪涌发生器10、被保护电路20以及压敏电阻等效电路30，其中：

浪涌发生器10、被保护电路20以及压敏电阻等效电路30并联连接；

压敏电阻等效电路30包括电感L、电阻R以及瞬态抑制二极管TVS；

电感L的第一端与瞬态抑制二极管TVS的第一端连接，电感L的第二端与电阻R的第一端连接；

电阻R的第二端分别与浪涌发生器10的第一端和被保护电路20的第一端连接；

瞬态抑制二极管TVS的第二端分别与浪涌发生器10的第二端和被保护电路20的第二端连接。

本实用新型实施例提供的仿真电路中的压敏电阻等效电路30，利用瞬态抑制二极管TVS的箝位特性替代压敏电阻的电压特征，由于压敏电阻的等效电路30中不包含非线性阻容器件，因此，无需确定非线性阻容器件的参数，从而可以减小压敏电阻的仿真时长，提高仿真效率。

需要说明的是，本实用新型实施例中的压敏电阻等效电路30即压敏电阻的仿真模型。

浪涌也叫突波，就是超出正常工作电压的瞬间过电压，从本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。

浪涌发生器10，即可以产生浪涌的装置。

在实施中，瞬态抑制二极管TVS可以为单向瞬态抑制二极管，还可以为双向瞬态抑制二极管。

如果瞬态抑制二极管TVS为单向瞬态抑制二极管，则根据浪涌发生器10的正负极，瞬态抑制二极管有两种连接方式。

方式一、如图2所示，瞬态抑制二极管TVS的阳极与浪涌发生器10的负极，瞬态抑制二极管TVS的阴极与电感L的一端连接。

方式二、如图3所示，瞬态抑制二极管TVS的阴极与浪涌发生器10的正极连接，瞬态抑制二极管TVS的阳极与电感L的一端连接。

如图4和图5所示，瞬态抑制二极管TVS为双向瞬态抑制二极管时，仿真电路的连接方式。

从图4中可以看出，瞬态抑制二极管TVS的一端与浪涌发生器10的正极连接；从图5中可以看出，瞬态抑制二极管TVS的一端与浪涌发生器10的负极连接。

瞬态抑制二极管TVS的连接方式，可以体现压敏电阻无极性的特点。

本实用新型实施例中压敏电阻的等效电路30，利用瞬态抑制二极管TVS的稳压特性模拟压敏电阻的残压。

瞬态抑制二极管TVS的物理意义为，压敏电阻的箝位电压的发生过程与瞬态抑制二极管TVS的箝位电压的发生过程完全一致，都是半导体两端电压升到阈值后快速导通，并保持一定的电压降。

本实用新型实施例中的电感L和电阻R为压敏电阻的寄生阻抗，寄生阻抗由两部分组成，一部分为压敏电阻的导通阻抗，由压敏电阻的内部晶体决定；另一部分为压敏电阻管脚的寄生阻抗，由压敏电阻的结构决定。

具体的，本实用新型实施例将压敏电阻的两部分阻抗合二为一，电阻部分合成为电阻R，电感部分合成为电感L，两部分阻抗都对压敏电阻的残压和电流产生重要影响。

电阻R和电感L的物理意义为，浪涌电流通路上的导体会产生的高频阻抗。

本实用新型实施例中，压敏电阻等效电路的工作原理为：

瞬态抑制二极管TVS设置的阈值电压，代表压敏电阻的压敏电压。当没有冲击电压，或冲击电压小于阈值电压时，瞬态抑制二极管TVS截止，压敏电阻只呈现容性。

当冲击电压高于阈值电压时，瞬态抑制二极管TVS导通，并箝位在阈值电压，同时，由于寄生阻抗L和R上都有电压降，因此压敏电阻的残压波形为瞬态抑制二极管TVS、电感L以及电阻R三者的电压之和，呈现非线性特性。

需要说明的是，瞬态抑制二极管TVS的阈值电压可以通过查找器件说明书得到，电感L和电阻R的参数都为已知，因此，本实用新型实施例无需确定器件的参数，节省仿真时间，提高仿真效率。

进一步的，本实用新型实施例提供的一种压敏电阻等效电路，还可以包括电容C，如图6所示，电容C的第一端与电阻R的第二端连接，电容C的第二端与瞬态抑制二极管TVS的第二端连接。

从图6中可以看出，瞬态抑制二极管TVS为单向瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管TVS的第二端为阳极。

如图7所示，为本实用新型实施例提供的又一种仿真电路示意图。从图7中可以看出，瞬态抑制二极管TVS为单向瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管TVS的第二端为阴极。

上述图6和图7中的瞬态抑制二极管TVS为单向瞬态抑制二极管，如图8所示，瞬态抑制二极管为双向瞬态抑制二极管。从图8中可以看出，双向瞬态抑制二极管的任意一端都可以作为瞬态抑制二极管TVS的第二端。

电容C代表压敏电阻截止情况下两个管脚之间的等效电容。物理意义为，压敏电阻截止时具有漏电特性，通过压敏电阻内部微小晶体之间的电场传递少量电荷。

分布电容C对浪涌冲击电流的影响小于1％，因此，在压敏电阻等效电路中可以忽略不计，仍然能够保证浪涌冲击电流的仿真精度。

本实用新型实施例提供的仿真电路中的压敏电阻等效电路，结构简单，器件在仿真平台上可以直接调用，不存在非线性参数无法确定的情况，并且各器件的参数都具有实际的物理意义，能够体现压敏电阻的物理和电气结构，在浪涌瞬态冲击下，仿真结果与实际误差很小，远远好于现有的压敏电阻的仿真模型。

下面以具体实施例进行说明。

采用TVR14511压敏电阻作为测试样品，测试仪器采用组合波浪涌发生器。

TVS＝720V(伏)，L＝0.4uH(微亨)，R＝0.2ohm(欧姆)，C＝50pF(皮法)。

仿真数据和实测数据如下表所示。从下表中可以看出，最大仿真误差在6％左右。

仿真残压和电流波形如图9所示，从图9中可以看出，压敏电阻的仿真残压与电流波形光滑自然，与实际电压电流波形完全一致。从而可以证明压敏电阻等效电路的正确性。

基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供一种用于电力电子系统的仿真系统，该仿真系统包括上述仿真电路。

以上参照示出根据本申请实施例的方法、装置(系统)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图描述本申请。应理解，可以通过计算机程序指令来实现框图和/或流程图示图的一个块以及框图和/或流程图示图的块的组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机的处理器和/或其它可编程数据处理装置，以产生机器，使得经由计算机处理器和/或其它可编程数据处理装置执行的指令创建用于实现框图和/或流程图块中所指定的功能/动作的方法。

相应地，还可以用硬件和/或软件(包括固件、驻留软件、微码等)来实施本申请。更进一步地，本申请可以采取计算机可使用或计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，其具有在介质中实现的计算机可使用或计算机可读程序代码，以由指令执行系统来使用或结合指令执行系统而使用。在本申请上下文中，计算机可使用或计算机可读介质可以是任意介质，其可以包含、存储、通信、传输、或传送程序，以由指令执行系统、装置或设备使用，或结合指令执行系统、装置或设备使用。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种用于电力电子系统的仿真电路，其特征在于，包括浪涌发生器、被保护电路以及压敏电阻等效电路，其中：

所述浪涌发生器、所述被保护电路以及所述压敏电阻等效电路并联连接；

所述压敏电阻等效电路包括电感、电阻以及瞬态抑制二极管；

所述电感的第一端与所述瞬态抑制二极管的第一端连接，所述电感的第二端与所述电阻的第一端连接；

所述电阻的第二端分别与所述浪涌发生器的第一端和所述被保护电路的第一端连接；

所述瞬态抑制二极管的第二端分别与所述浪涌发生器的第二端和所述被保护电路的第二端连接。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管或双向瞬态抑制二极管。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；

若所述浪涌发生器的第二端为正极，则所述瞬态抑制二极管的第二端为负极。

4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；

若所述浪涌发生器的第二端为负极，则所述瞬态抑制二极管的第二端为正极。

5.如权利要求1～4任一所述的电路，其特征在于，该电路还包括电容；

所述电容的第一端与所述电阻的第二端连接，所述电容的第二端与所述瞬态抑制二极管的第二端连接。

6.一种用于电力电子系统的仿真系统，其特征在于，包括如权利要求1～5任一所述的仿真电路。

Images