选择模块来建模电力电子变换器
Simscape™ Electrical™ 库包含许多可用于建模电力电子变换器的模块。您必须选择一个具有足够建模细节的模块，以满足您需要回答的工程设计问题。同样重要的是，不要使用超过所需的细节，因为更高保真度的模型会减慢仿真速度，且参数化过程更为复杂。因此，应选用何种右侧模块取决于您为实现设计目标所需满足的复杂度水平。
首先，您需要确定是使用预构建的转换器模块，还是从基础组件开始构建转换器模型。最佳方案取决于预构建转换器模块是否支持您所需保真度级别的转换器拓扑。若使用预构建的转换器，则需执行以下操作：
选择具有适当复杂程度的数学模型。
选择正确的模块，使用您选定的数学模型来构建转换器拓扑的建模。
选择离散式或预制转换器模块
在 Simscape Electrical 中，您可以采用两种方法来构建电力电子变换器的模型：
使用预构建的转换器 - 使用Simscape > 电气 > Semiconductors & Converters > 转换器库中的一个模块。
从基本组件（也称为分立元件）构建转换器模型。
使用Simscape > 电气 > Semiconductors & Converters库中的模块来建模半导体器件，例如晶体管和二极管。
使用Simscape > 电气 > Passive库中的模块来建模被动电感组件和电容组件等被动电感组件。
使用预构建的转换器是最简单的方法。在可能的情况下采用此方法。转换器子库包含可建模多种变流器拓扑的模块。预制转换器和分立半导体均支持多级保真度。然而，唯有离散元件才能实现最高保真度。仅当您需要建模预制转换器不支持的罕见拓扑，或需要极高保真度时，才使用离散元件。
预构建转换器模块所采用的最简单模型是行为模型和平均值模型。这些模型排除了切换事件，并基于功率平衡进行函数运作。代数方程将转换器输出与占空比、电压基准或电流基准相关联。这些模型的主要优势在于它们能够进行快速的仿真。将这些模型用于系统级应用，例如设计外环控制器或优化您部署电力电子设备的系统。行为模型和均值模型具有很强的通用性。由于这些模型基于简单的功率平衡函数运作，因此具体的电路配置通常并不重要。例如，DC-DC Converter 模块采用行为模型。您可以使用此模块来建模：
同步或非同步降压转换器
同步或非同步升压转换器
四开关降压-升压转换器
双有源桥式转换器
隔离式或非隔离式双向 DC-DC 转换器
由于这些模型具有高度通用性，您几乎可以找到预先构建的转换器模块，以这种保真度呈现任何转换器拓扑。在系统级应用中，应使用预制转换器而非分立元件。
预构建转换器还支持更复杂的模型，可用于转换器级应用，例如选择制造组件或计算开关损耗和导通损耗。这些模型按复杂度递增的顺序排列如下：
等效模型
平均化开关模型
分段线性 (PWL) 切换模型
在下一节中，您将更深入地了解这些模型以及何时使用每一种模型，选择预置转换器模型。现在需要理解的关键点在于：支撑这些模型的模块所采用的方程，与行为模型所用的方程不同，仅对特定等效电路有效。预构建转换器模块支持多种常见拓扑，且在这些保真度级别下均能实现。如果可能的话，最佳做法是使用预先构建的转换器模块。若您使用的拓扑较为特殊，且预构建转换器无法支持，则需使用离散元件。在最终章节选择预置转换器模块中，您将了解预构建转换器模块在这些保真度级别下支持哪些拓扑。
唯有离散元件才能实现最高保真度。对于开关级应用，例如设计栅极驱动，需要使用分立器件。
本表总结了针对常见仿真目标建模转换器的最佳方法。
| 模型范围 | 目标 | 模型 |
|---|---|---|
| 系统级 |
| 如果预构建转换器模块支持您的拓扑，请使用基于行为模型或平均值模型的预构建转换器模块。 仅适用于多级逆变器时，请使用预构建的转换器模块，该模块采用具有波形控制功能的等效模型。 您可以在这个保真度级别找到一个预构建的转换器模块，它几乎支持任何拓扑。然而，如果预构建的转换器模块不支持您的拓扑，您可以：
|
| 转换器级别 |
| 如果预构建转换器模块支持您的拓扑，请使用采用以下任一模型的预构建转换器模块：
如果 Simscape 不支持您拓扑中的某一模型，您可以使用保真度更高的模型。例如，若您想使用等效模型但 Simscape 不支持该模型，则可改用平均开关模型。 如果预构建的转换器模块在任何保真度级别下均不支持您的拓扑，请使用离散组件构建转换器模型。使用低保真半导体模型，例如 MOSFET (Ideal, Switching) 模块。 |
| 开关级 |
| 使用离散组件构建您的转换器模型。使用高保真半导体模型，例如 N-Channel MOSFET 此模块。 |
选择分立半导体
本指南的其余部分仅关注预构建的转换器模块。若需使用离散元件建模转换器，请参阅选择模块来建模半导体器件以获取有关选择合适复杂度模块的更多信息。或者，您也可以通过本表中的示例了解更多信息。
| 使用分立元件的转换器示例 | |
|---|---|
| 适用于系统级和转换器级应用的低保真度模型 | 开关级应用的高保真度模型 |
| |
| DC-DC LLC 转换器 | |
选择预置转换器模型
此表比较了预构建转换器模块所支持的不同模型的特性。随着模型从行为模型和平均值模型向右发展，直至 PWL 开关模型，其复杂程度逐渐增加。更复杂的模型包含更多的物理特性，但仿真时间更长。使用此表格来帮助您确定所需的模型。若您仍不确定该选用哪种模型，可采取以下策略：先从简单模型入手，若需更详细的结果，再逐步增加复杂度。如果某个模块同时支持等效开关模型和脉冲宽度限幅 (PWL) 开关模型，则只需更改保真度级别参数值即可轻松在两种模型间切换，因为两种模型均采用 PWM 信号作为驱动信号。
| 模型 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| 模型描述 | 这些极其简单的模型排除了切换机制，其函数基于力量平衡，从而能够快速进行仿真。代数方程通常将转换器输出与占空比或电压基准相关联。某些行为模型和平均值模型可选项地包含动态特性，例如 LC 模型。 | 这些简单模型利用 PWM 信号计算转换器级别的电压和电流波形，从而实现快速仿真。这些模型未包含保护二极管或功耗。 | 这些模型通过对一个或多个切换周期进行平均处理，来反映切换效应，而无需对切换事件进行建模。这些模型在变流器层级应用，通过门控信号计算电压和电流波形。您可以对输入信号进行均值处理，从而实现模型的欠采样。平均开关通常能够处理调制波形或占空比，但这种方法并非最高效。这些模型包含无动态特性的保护二极管，但不包含功耗。 | 这些模型整合了采用分段线性导通状态 I-V 曲线的单个开关器件模型。 |
| 目标 |
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| 驱动信号 |
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| 对独立开关建模 | 否 | 否 | 否 | 是 |
| 对保护二极管建模 | 否 | 否 | 是，没有电荷动态特性。 | 是，可选充电动态选项功能。 |
| 对切换事件建模 | 否 | 是 | 是，仅适用于 PWM 信号。 | 是 |
| 模型谐波 | 否 | 是 | 是，仅适用于 PWM 信号和平均脉冲。 | 是 |
| 适用于线性化 | 是 | 否 | 是，仅适用于平均脉冲、调制波形和占空比。 | 否 |
| 实现 | 使用预构建的转换器模块，该模块仅采用行为模型或平均值模型。 | 使用支持保真度级别参数的预构建转换器模块，并将该参数设置为 Equivalent model - PWM Controlled。 | 使用支持开关器件参数的预构建转换器模块，并将该参数设置为平均化开关。 | 使用支持开关器件参数的预构建转换器模块，并将该参数设置为以下选项之一：
|
有关平均开关与脉冲宽度限制开关之间差异的更多信息，请参阅以下示例：
要使用经典控制理论概念（如增益和相位裕度）设计控制器，需要线性化模型。由于电压波形在每次开关事件中存在不连续性，因此无法精确线性化等效模型或 PWL 模型。有关线性化变换器模型的更多信息以及为线性化变换器模型设计控制器的信息，请分别参阅 Linearize DC-DC Converter Model 和 Design PI Controller for DC-DC Converter 示例。
您还可以使用 PWL 开关模型，通过将驱动信号设为零来仿真转换器的突然停止。
选择预置转换器模块
本节中的表格展示了在不同保真度级别下，用于建模不同拓扑的转换器模块。使用这些表格来选择合适的模块来建模您的转换器。有关特定转换器拓扑及其等效电路图的详细信息，请参阅支持等效模型的模块的参考页面，这些模块采用 PWM 控制、平均开关或 PWL 开关技术。
DC-DC 转换器
您可以根据象限工作原理对 DC-DC 转换器拓扑进行分类。该图展示了每个象限如何描述输出电流和电压的正负性。
转换器根据应用需求在其中一个或多个象限内运行。例如，非同步降压转换器仅在第一象限工作，而全控型转换器（如四象限斩波器）可在所有四个象限工作，从而实现对功率流方向和幅值的完全控制。
若需使用 DC-DC 转换器的行为模型或平均值模型，通常可在 Average-Value DC-DC Converter 模块与 DC-DC Converter 模块之间进行选择。Average-Value DC-DC Converter 模块更简单且更易于参数化，但自定义选项较少。若需建模电压下垂或开路故障，请使用 DC-DC Converter 模块。若需更详细的效率模型（包含对电压或温度的依赖关系），也可使用此模块。若无需这些选项，请使用 Average-Value DC-DC Converter 模块。
第一象限
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| A 类斩波器 |
| 不支持 |
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| 非同步降压转换器 |
| 不支持 |
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| 非同步升压转换器 | 不支持 |
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| |
第二象限
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| B 类斩波器 |
| 不支持 |
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第一象限与第二象限
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| C 类斩波器 |
| 不支持 |
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| 同步降压转换器 |
| 不支持 |
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| 同步升压转换器 | 不支持 |
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| 四开关降压-升压转换器 | 不支持 |
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| 非隔离式双向 DC-DC 转换器 |
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| 双有源桥式转换器 |
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| 隔离式双向 DC-DC 转换器 | 不支持 |
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第三象限
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| 升压-降压转换器反相拓扑 | 不支持 | 不支持 |
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第一象限与第四象限
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| D 类斩波器 |
| 不支持 |
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四个象限
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| E 类斩波器 |
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DC-AC 转换器
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| 单相逆变器 |
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| 三相逆变器 | 平均值逆变器（三相）模块处于无控状态。您可以通过调制波形或幅值与相位来控制平均值电压源变换器（三相）模块，以进行频率和时间仿真。 |
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| 多电平逆变器 |
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AC-DC 转换器
均值值电压源转换器和均值值电压源转换器（三相）模块支持频率和时间仿真。
转换器拓扑 | 模块 | |||
|---|---|---|---|---|
| 行为与平均值 | 等效模型 - PWM 控制 | 平均化开关 | PWL 开关 | |
| 单相非控整流器 | 不支持 |
| 不支持 |
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| 三相非控整流器 |
| 不支持 |
整流器（三相）模块比转换器（三相）模块更为复杂。三相转换器模块可建模被动整流器或具有双向功率流的开关整流器。整流器（三相）模块建模了一个由 6 个二极管组成的无源整流器，具有单向功率流特性。 | |
| 单相受控整流器 |
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| 三相受控整流器 |
AC-DC 转换器（三相）模块的参数设置更为简便，其仿真速度通常快于平均值电压源转换器（三相）模块。您通过参考电压控制 AC-DC 转换器（三相）。您可通过调制波形或幅值与相位来控制平均值电压源变流器（三相）模块，以进行频率和时间仿真。使用平均值值电压源转换器（三相）来建模功率损耗或双向功率流。否则，AC-DC 转换器（三相）模块通常是更好的选项。 |
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AC-AC 转换器
要将AC 转换为 AC，可连接两个转换器模块：一个用于 AC 转 DC，另一个用于 DC 转 AC。您也可以使用 Bidirectional DC-DC Converter 模块来建模双主动桥式转换器，或使用 Four-Quadrant Chopper 模块。
三相桥式循环转换器示例展示了如何通过六个转换器（三相）模块降低 AC 输入电压的频率。
另请参阅
Four-Quadrant Chopper | Average-Value DC-DC Converter | DC-DC Converter
