基于matlab的建模与仿真设计「拓扑建模」

今天带来基于matlab的建模与仿真设计「拓扑建模」，关于基于matlab的建模与仿真设计「拓扑建模」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1.前言：

通常情况下，电力电子仿真是可以分为三个等级。第一级是系统级，在系统级仿真中往往更关注系统之间的能量流动，频率调节，电压调整，系统中的各组成元件往往是变流器或者火电厂，储能电站等等，仿真时间尺度在s级以上，常用软件是MATLAB/Simulink，PSCAD等等，往往是对算法进行验证，而忽略具体某一个单元内部的特性；第二级是变流器级，在变流器级仿真，有两种情况，如果是做算法仿真，往往会把开关管等效成理想开关，忽略开关暂态，如果是传统算法，通过各种控制换来最终生成调制波，如果是智能算法，可能需要高速的传感器采样开关周期的电压/电流波形，代入智能化算法最终得到驱动波形或者ref值。常用仿真软件如，PSIM，saber，PLECS，MATLAB/Simulink；第三级是是器件级，器件级的仿真，往往需要器件的暂态特性，在电力电子中就是开通及关断特性，通常需要采用spice模型（下文在介绍软件时会对spicer模型进行通俗的解释）。，常用软件是saber，LTspice,Pspice等等。LTspice优点是软件小，免费，但是当需要多次运行修改参数的时候，往往需要手动调节（作者经过摸索能通过MATLAB调用简单的LTspice模型，有时间可以分享下），同样saber也不具有这种多次调用并自动修改参数的特点，而且saber软件较难上手。。。

因此，在此背景之下，作者推荐一款基于MATLAB/SIMSCAPE的仿真平台，它可以利用MATLAB的m语言多次调用，除此之外，它还具有以下优点

1.内部集成了效率测试，损耗测试，EMI测试（仅仅是对仿真，只能作为参考！！！！），只需要一句代码就能实现

2.还可以多个仿真模型并行运行（电脑配置得给力）。除此之外，它还支持多物理场联合仿真，比如电，热，力，磁等等。

3.还支持跨时间尺度仿真，一个系统里可以由系统级仿真，变流器级仿真以及器件级仿真。

4.支持Embedded coder代码自动生成，大大提高开发效率

这么多优点，你难道不想pick一下吗！！

由于这方面资料比较少，作者在研究的时候，主要以官网资料，论坛大佬，以及MATLAB开发者的通信交流等渠道，在这里把近期的经验分享一下，希望可以帮助到各位。

由于内容较多，因此把分享的主题分为三部分，第一部分是器件级建模，第二部分是拓扑级建模，第三部分是多物理场建模。

本次分享主要分为两块，

一、对Simscape工具箱做简要介绍，与大家常用的Simpowersystem相比较的优缺点。

二、如何针对器件级建模其中一种方法，并且将建模得到的器件进行测试，测试结果会和器件里的datasheet波形进行比较。

（第一次发帖，可能有很多做的还不好，大家多提提意见，一定多多采纳。。。）

2.Simscape简介

Simscape是MATLAB/Simulink下的工具箱，其支持多域物理场建模（电，热，磁，力），本身自带了大量的例程以及库文件。下图是将大家相对熟悉的Simpowersystem与Simscape在应用范围上做一个简单的对比。

（图来自MATLAB某次技术交流视频，在这里做交流使用，若侵请联系，立刻删，谢谢）

跟据这个对比图可以清楚的看到，Simscape更适合器件级及拓扑级，Simpowersystem更适合拓扑级和系统及。此外，Simscape相对Simpowersystem(新版本改成了Specialized，估计使用新版本MATLAB的用户还不多，因此为方便交流，还按老版本的命名来)精确度更高，可以建立SPICE级别的器件仿真，但是相对而言其建立的仿真规模要小于Simpowersystem。

常用的库界面展示：

如上图所示就是simscape的界面，因为本次主要是分享电力电子相关，因此主要介绍下基础库和电子库，电子库里面常用的就是半导体和变换器库，其它库大家感兴趣可以自行搜索哈。

3.器件级仿真应用

然后就是本次分享的重点部分，介绍下如何根据datasheet配置simscape里的器件，在这里以英飞凌公司的IPPO23NO8N5为例。

上图右边就是Simscape库里面拖拽出来的MOSFET，双击打开信息面板，下面我将会对比datasheet与面板信息逐一填写。

1. MOS/IGBT主体参数

a. Drain-source on resistance,R_Ds(on)（导通阻抗）

一般datasheet会给两个值或三个值，选取平均值即可，经过测试，影该不大

b. Drain current,Ids, for R_DS(on):（漏极电流）

需注意，此漏极电流是对于R_DS(on):而言，因此参照上一个截图，应该是10A（该参数对结果影响较大）

只看datasheet，并不能得到最佳匹配结果，会导致误差变大。

c. Gate-source voltage, Vgs, for R_DS(on):（栅源电压）

同理，该参数也是对于R_DS(on):而言，因此参照上一个截图，应该是10V（该参数对结果影响较大）

d. Gate-source threshold voltage,Vth:（栅源门槛电压）

经过验证，此数据是最小电压貌似更为准确。但是只对仙童FDP20N50F这个器件而言，目前不具有一般性。

e. Channel modulation, L:（通道调制）

VI给的是0，官网给的典型值是0.02。（该参数将会影响Id-Vds在Vds较大的时候的趋势）

沟道长度调制效应是指MOS晶体管中，栅下沟道预夹断后、若继续增大Vds，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多，使Id增大的效应。

以在加栅压Vgs且形成导电沟道的情况下的NMOSFET为例。若漏源电压Vds增大至不可忽略，沟道电压降增大直至Vgd=VT时，由于栅漏之间电压差降低，漏端附近反型层消失，称为沟道夹断。若继续增大Vds，夹断点将向源端移动，故"看起来"，有效沟道长度减小，称为沟道调制效应。

f. Measurement temperature:（通道调制）

25℃。这个没问题

g. Source ohmic resistance:（源极阻抗）

VI用的0.08，help默认是0.025，datasheet没有给，貌似他这个更准确…

h. Drain ohmic resistance:（源极阻抗）

VI用的0.08，help默认是0.025，datasheet没有给，貌似他这个更准确…

2. MOS/IGBT电容参数

a. Input capacitance, Ciss:（输入电容）

参照datasheet即可（较小的）

b. Reverse transfer capacitance, Crss:（反向传输电容）

参照datasheet即可（较小的）

c. Output capacitance, Coss:（输出电容）

参照datasheet即可（较小的）

3. MOS/IGBT体二极管参数

a. Built-in voltage:（建立电压）

参照datasheet即可（影响不大）

b. Transit time:（暂态时间）

参照datasheet即可（影响不大）

其余参数直接默认即可。

4.器件级仿真测试

在这里我们选择Simscape自带的测试模型，输入我们前面设置的参数即可，

可以在command命令输入：

>>ee_mosfet

上图就是Simscape自带的器件测试平台。

(datasheet)

仿真结果：

（Simscape中的moseft模型）

仿真结果可以看到，当vgs>6V时，波形和datasheet较为吻合，根据datasheet，用于驱动开关管时，GS电压一般取15V左右。

此外，在这里再分享另一种建模的仿真结果，该方法是将SPICE模型转化Simscape的库，但是仿真速度会比较慢，同时需要略懂一些SPICE语言，仿真结果如下：

仿真结果几乎和datasheet完全一致，如果大家感兴趣，下次写的时候再分享给大家。