Simulink仿真理想二极管模型

news2024/11/13 13:44:56

Simulink仿真理想二极管模型

二极管的伏安特性曲线测量

可通过实验的方法测量得到二极管(Diode)的外部特性，即伏安特性曲线，图(a)为二极管正向特性测试电路，P区接电源的正极，N区接电源的负极，这种接法称为PN结正向偏置，图(b)为二极管反向特性测试电路，P区接电源负极，N区接电源正极，这种接法称为PN结反向偏置，测试电路图如下所示：

注: 图(a)为电流表外接法，适合测量小电阻(电压表分流)；图(b)为电流表内接法，适合测量大电阻(电流表分压)。

二极管的伏安特性曲线说明

二极管的伏安特性曲线是流过二极管的电流随外加偏置电压变化的关系曲线，如下图所示:

正向特性

图中①段位正向特性，使得二极管开始导通的临界电压称为开启电压 $U_{th}$ ，也称为死区电压(门坎电压)；

当外加电压大于开启电压后，正向电流近似以指数规律迅
速增长，二极管呈现充分导通状态。在 $i_D$ 较大时，特性曲线接近于直线，当电流迅速增加时，二极管的正向压降却变化很小。定义这时二极管的管压降为 $U_{D(on)}$ ，称为正向导通压降，在电路分析时近似认为是定值。

二极管	开启电压	正向导通压降
硅二极管	0.5V	0.7V
锗二极管	0.1V	0.2V

反向特性

伏安特性曲线的第②段称为反向特性。这时二极管加反向电压，反向电流很小，直随反向电压的增大基本上不变，故称为反向饱和电流，并称特性曲线的这一区域为反向截止区。

故PN结具有单向导电性

反向击穿特性

当反向电压增大到一定值时，反向电流会急剧增加，这种现象为反向击穿，对应于曲线的第③段。发生击穿所需的电压 $U_{BR}$ 称为反向击穿电压。发生击穿时，二极管的反向电流随外电路改变，而反向电压却几乎维持在击穿电压附近，具有稳定电压的作用。稳压管正是利用了二极管的反向击穿特性。反向击穿属于电击穿，电击穿过程在PN结被破坏之前是可逆的，即当反向电压降低到低于击穿电压时，PN结能恢复到击穿前的状态。

另外，当反向电流过大时，消耗在PN结上的功率较大，引起PN结温度上升，直到过热而造成破坏性的击穿，称为热击穿。显然，热击穿是不可逆的，因此要限制PN结的功率，所以工作在反向击穿区的二极管必须串联限流电阻加以保护，以便尽可能地避免热击穿。

晶体二极管的简化电路模型

理想二极管模型

外加正向电压时，二极管导通，正向压降为0V；
外加反向电压时，二极管截止，电阻无穷大，反向电流为0A；
二极管等效为一个开关。

等效电路模型如下图所示

恒压降模型

二极管恒压降模型是指二极管正向导通后，其管压降不随电流变化，认为是恒定值，并且二极管的反向电流为零。等效电路模型如下图所示，即理想二极管串联电压源 $U_{D(on)}$ 。与前一种等效电路相比，此种模型误差要小得多，近似分析中多采用该模型。

折线模型

当二极管正向电压大于开启电压 $U_{th}$ 后，其电流与电压成线性关系，直线斜率为 $1 / r_D$ ；当二极管两端电压小于开启电压时，二极管截止，电流为零。等效电路是理想二极管串联电压源 $U_{th}$ 和电阻 $r_D$ 。且 $r_D = \Delta U / \Delta I$

使用Simulink仿真理想二极管模型

打开MATLAB进行Simulink仿真，以下为用到的元件

元件名称	中文名称	库位置
`Diode`	二极管	`Simscape`/`Electrical`/`Specialized Power Systems`/ `Fundamental Blocks`/`Power Electronics`
`Voltage Measurement`	电压表	`Simscape`/`Electrical`/`Specialized Power Systems`/ `Fundamental Blocks`/`Measurements`
`AC Voltage Source`	交流电压源	`Simscape`/`Electrical`/`Specialized Power Systems`/ `Fundamental Blocks`/`Electrical Sources`
`DC Voltage Source`	直流电压源	`Simscape`/`Electrical`/`Specialized Power Systems`/ `Fundamental Blocks`/`Electrical Sources`
`Series RLC Branch`	串联RLC分支	`Simscape`/`Electrical`/`Specialized Power Systems`/ `Fundamental Blocks`/`Elements`
`Scope`	示波器	`Simulink`/`Sinks`
`powergui`	电力系统图形化用户接口	`Simscape`/`Electrical`/`Specialized Power Systems`/ `Fundamental Blocks`