二极管封装后的模型如图3 16 所示模块内部结构图如图3 16 4二极管模型测试下图3 17为模型的测试电路公海710登

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华中科技大学硕士学位论文24 电子与空穴分布对称且分布密度相同。设x d处的空穴分布密度为1p 区域内剩余空穴电荷为2q则该区域的平均空穴密度为 22 pqqAd 。其中A为结面积 q为单位电荷

  华中科技大学硕士学位论文24 电子与空穴分布对称且分布密度相同。设x d处的空穴分布密度为1p 区域内剩余空穴电荷为2q则该区域的平均空穴密度为 22 pqqAd 。其中A为结面积 q为单位电荷。 dd0I区P 12二极管的电荷分布由于 P区域中的电子密度远小于空穴密度 因此在x d处的电子电流可以

  华中科技大学硕士学位论文24 电子与空穴分布对称且分布密度相同。设x d处的空穴分布密度为1p 区域内剩余空穴电荷为2q则该区域的平均空穴密度为 22 pqqAd 。其中A为结面积 q为单位电荷。 dd0I区P 12二极管的电荷分布由于 P区域中的电子密度远小于空穴密度 因此在x d处的电子电流可以忽略不计。二极管的电流密度可以表示为 12 222haxdappdpxJJdqDqDdxd 其中aD为扩散常数 hJ为空穴电流密度。 二极管的电流为 121222 44aaqdAppqqiAJdDdD 电荷2q与电流的关系式为2202adqqidt 描述了二极管的模型令12Eqq 22Mqq 2aTdD两式可简化为 EMqqiT 华中科技大学硕士学位论文25 IFMt0T0T1Irrtrr25 Irrt 13表示二极管关断过程的电流波形。公海710登录网址此过程可以分为两个阶段从0tT 到1tT 二极管处于低阻抗状态 其两端电压近似为0 在1tT 时刻 二极管中I区域边缘的剩余电荷变为0 二极管开始呈现高阻抗状态。在式 中令0Eq可得1tT 时刻后二极管的电流为 expMrrrrqttTitIT 10其中 rr 11给出 rrI为反向恢复电流峰值。 111rraT 11一般情况下 rrt、rrI及测试条件di dt、FMI均在厂家提供的二极管产品手册列出。根据式 10及测试条件 rr 可由下式获得 4rrrrrrtIaIn 12其中adidt 根据图313所示的反向电流波形 Mq在1tT 阶段的表达式为 expMaaaatqtaTt 13当1tT 11rrMiTIqTT 代入上式得式 1exprrarraTIa 14然后参数T可由a 、T及rr 的关系式 11算出 40 42 根据前面对二极管反向恢复特性的数学描述我们可以将二极管模型用图3 12所示的等效电路来替代 其中S为理想开关 J为电流源。 华中科技大学硕士学位论文 26 iJJS 14二极管的等效电路 二极管处于正向导通状态时 S闭合 二极管相当于短路 此时稳态电流值FMI。 设0tt 时刻 二极管两端的外加电压突然反向 此时将开关S断开 受控电流源串入回路中。 在001tttT 这一时段 二极管处于低阻抗状态 此时受控电流源的电流表达式为0 FMitIdidttt 在01ttT时段 二极管处于反向恢复阶段 受控电流源的表达式为01 rrttTrritIe 因此本文描述二极管从导通、关断至截止过程的关键参数为 正向导通压降、电流下降变化率、反向恢复时间以及反向电流峰值。 3二极管的仿真模型根据前文所述 本文二极管模型是通过2个模块并联实现的。这2个模块分别为 导通模块与关断模块。其中导通模块可以由MATLAB自带的模块来实现 如图3 15 所示而关断模块则通过编写S函数反映其关断特性 是配合其他受控电流源模块、Memory模块、TransferFcn模块建立的反映整个关断的模块。 华中科技大学硕士学位论文27 15二极管的仿真子模块将各个模块按各自功能并结合逻辑、时序与电路关系整合并封装为一个二极管模块 即可与系统直接进行仿真。二极管封装后的模型如图3 16 所示模块内部结构图如图3 16 4二极管模型测试下图3 17为模型的测试电路。为了模拟二极管在导通情况下突然受到反向电压的华中科技大学硕士学位论文 28 作用截止 设置三个与理想开关串联的直流电源 理想开关通过阶跃响应信号以及冲击信号发生器控制触发。三个电源的电压均为100V 线 。首先正向的恒压源导通然后在0 1s时断开 同时反向的恒压源接入 6s时再接入正向的恒压源二极管的参数设为正向导通压降为0 8V 电流下降率为1000A 反向恢复时间为01s 反向电流峰值为60A。 17二极管模型的测试电路仿线 150 100 50050100t 二极管两端的电压华中科技大学硕士学位论文 29 00 10 20 30 40 50 60 70 6040 100t 18二极管测试的仿真结果可以看到 电源电压正向情况下 二极管导通 且两端压降很小为设置的0 8V。在0 1s处电源电压反向 二极管不会立刻截止 而是开始以设定的斜率下降至反向峰值电流60A 然后开始反向恢复过程 43s处二极管截止电路断开 6s处二极管两端再次加上正向电压则二极管又即刻导通 正向压降为0 8V。 新型直流混合式断路器的仿真模型根据新型混合式断路器的拓扑结构在MATLAB中建立其他元器件的仿真模型。振荡换流回路中的电容及电感选用RLC串联模块 电容可设置预充电电压值 电容充电电路即可省略 二极管D1选用理想二极管模块。真空触发间隙TVS由Breaker模块替代 其封装模型如图3 19所示 压敏电阻由Surge Arrester模块替代 其封装模型如图3 20所示 各开关的动作时序以及间隙的触发由Step模块发送信号。 19TVS的仿真模型 华中科技大学硕士学位论文 30 20压敏电阻的仿真模型同时 建立直流系统的仿真模型。直流系统电源电压为恒压源模块 将理想开关模块与负载并联以制造短路故障。如图3 21所示 将各个模块按各自功能并结合逻辑、时序与电路关系整合搭建了新型混合式断路器在直流系统中的电路仿线 新型直流断路器开断特性仿真应用本文前面所述模型计算5kV 4000A 100kA混合式断路器 开展断路器开断额定短路电流的仿真。仿真起始时刻为短路起始时刻 仿线s 仿线。仿线所示。公海710登录网址 短路故障下混合式断路器模型的仿真参数参数 数值 系统参数 电源电压 5000线真空开关参数 正极材料常量 14分闸速度 12TRV LIMIT 1e20华中科技大学硕士学位论文 31 二极管参数 正向导通压降 001反向恢复电流峰值 60振荡换流回路参数 电容 001预充电电压 5000电感 00005非线性电阻参数 保护电压 500动作时序参数 系统短路时刻 005QS1、QS2开断时刻 007TVS触发导通时刻 01QS3开断时刻 02仿线 0180 02 202x 104Iqs1 000020 0040 0060 0080 010 0120 0140 0160 0180 02 505x 104Id2 000020 0040 0060 0080 010 0120 0140 0160 0180 02 505x 104Iqs2 000020 0040 0060 0080 010 0120 0140 0160 0180 02 505x 104Ic 000020 0040 0060 0080 010 0120 0140 0160 0180 02024x 104t 各支路电流波形华中科技大学硕士学位论文 32 00 0020 0040 0060 0080 010 0120 0140 0160 0180 02 500511 522 533 544 5x 104t 直流系统母线 0180 02 500511 5x 104t 为新型混合式断路器开断短路故障下各支路电流波形波形从上到下依次为流过主开关QS1的电流 流过二极管D2的电流 流过主开关QS2的电流 流过电容C支路的电流 流过压敏电阻支路的电流 以及流过主回路的电流波形。图3 22 为分断过程中的主开关电压和电容电压波形。可以看到直流系统在0 005s处发生短路故障 007s时QS1、公海710登录网址QS2断开并实现了电流从QS1支路上快速换流至二极管D2 01s时D2、QS2支路换流至L1、C1振荡换流回路QS2在0 01022s处断开 L1、C1支路也随之断开 最终电流通过压敏电阻的作用在0 013s时降低至零 从而实现整个短路电流的顺利关断。在这华中科技大学硕士学位论文 33 一过程中 主开关两端的电压限制在约13kV以内 电容电压经过放电以及正向充电后 最终电压值维持在大约15kV。整个回路能在较短的时间内 8ms 有效关断100kA的预期短路电流 并将短路电流峰值限制在了42 5kA 与理论分析相符 达到了预期的开断要求。 本章小结本章围绕新型混合式断路器的建模这个中心 开展了主开关模块及整体电路的建模与仿真研究。首先基于真空断路器的结构及工作原理 建立了真空断路器的物理数学模型 将线个阶段 触头打开前 触头打开至电流过零阶段以及弧后介质恢复阶段 并在MATLAB仿真软件中对其功能模型进行了实现 同时建立了仿真测试电路 测试结果表明了真空断路器模型的正确性和有效性。其次基于功率二极管的作用及特点 将二极管的导通与关断过程进行了电路等效 重点描述了二极管关断过程的物理数学模型 实现了其功能模型并建立了仿真测试电路 测试结果表明了二极管模型的正确性和有效性。最终搭建了新型混合式断路器整体电路仿真模型 进行了直流系统短路故障下的开断仿真 仿真结果表明新型混合式断路器仿真模型较为准确的反映了其开断大电流的过程 可作为后续对断路器进行参数优化设计的基础。

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