丘東元,眭永明,王學梅,張 波

(華南理工大學電力學院,廣東廣州 510640）

基于Saber的“電力電子技術(shù)”仿真教學研究

丘東元,眭永明,王學梅,張 波

(華南理工大學電力學院,廣東廣州 510640）

使用仿真軟件進行輔助教學是提高教學質(zhì)量的一個有效手段。本文結(jié)合Saber仿真軟件,設計了“電力電子技術(shù)”輔助教學的實踐思路,確定了具體的實踐目標和內(nèi)容。我們具體以Boost APFC為例,介紹了在“電力電子技術(shù)”教學活動中應用Saber仿真軟件的過程。結(jié)果表明,應用Saber仿真軟件,能使分析過程直觀化、理論結(jié)果可視化,對豐富“電力電子技術(shù)”教學手段、提高教學質(zhì)量起到有效的促進作用。

Saber;APFC;仿真

0 引言

“電力電子技術(shù)”的教學方法主要采用波形分析法,通過對各種電量的波形分析,使學生了解到器件和電路在各階段的工作狀態(tài)。與傳統(tǒng)的教學模式相比,加入仿真軟件的演示,不僅是對課堂理論的驗證,也是對課堂知識的應用[1]。

Saber是美國Analogy公司于1987年推出的模擬及混合信號仿真軟件,包括Saber Sketch和Saber Designer兩部分[2]。Saber軟件與 Simulink和Pspice等軟件相比,其優(yōu)勢在于:器件庫數(shù)量更為龐大與具體,仿真分析更具體,測量多樣且精確。具體體現(xiàn)為:

(1)器件庫不僅包括各類理想電力電子器件以及市場流行的各大公司所產(chǎn)的各類型電力電子器件的模型同時還提供了各類應用廣泛的IC芯片;

(2)仿真分析有50多種,包括DC工作點分析、時域(瞬態(tài))分析、頻域分析、直流傳輸特性分析、傅里葉分析、參數(shù)掃描分析、零極點分析和蒙特卡羅分析等;

(3)測量工具可以實現(xiàn)對波形的編輯、計算和測量等功能。

顯然,采用Saber對實際型號的元器件進行仿真,結(jié)果會更貼近于實際電路,有助于加強對實際電路的理解。

1 Saber輔助教學的思路

通過Saber的仿真輔助教學,我們希望在“電力電子技術(shù)”教學中能達到以下教學目的:①使學生獲得從事與電子技術(shù)有關工作必備的基本理論知識;②加強對教學難點的理解;③培養(yǎng)學生的基本實踐技能(讀圖,設計,故障分析等);④提高學生分析問題和解決問題的能力。

Saber采用如下教學整體思路:

1)仿真教學目標設定

仿真是為了更好地理解理論知識,更形象地說明理論現(xiàn)象,從而在理論與實踐中架起一座橋梁。有目的地安排仿真實踐環(huán)節(jié),才能對理論教學起到積極的作用。因此,仿真的目標是對教學內(nèi)容中各章節(jié)基本拓撲結(jié)構(gòu)與重難點知識的應用與分析。

2)仿真電路設計

仿真電路的設計必須根據(jù)教學內(nèi)容的基本要求,同時考慮到市場應用最廣泛的電路來搭建。由于Saber中有各大公司的流行芯片模型,因而對實際電路的搭建較為容易,也接近于實踐結(jié)果,這有利于培養(yǎng)學生的動手實踐能力。

3)仿真結(jié)果分析

利用仿真所得的模態(tài)波形與課本的模態(tài)波形進行對比,可以驗證仿真結(jié)果的正確性,也反映了理論知識的現(xiàn)實性。當改變參數(shù)使得仿真結(jié)果出現(xiàn)變化時,也能通過理論分析與仿真調(diào)試,使輸出達到理想狀態(tài),以此提高學生實際解決問題的能力。

2 輔助教學內(nèi)容設計

為更好地將Saber應用于輔助教學中,我們針對“電力電子技術(shù)”教學過程的各種重難點問題進行了分析與整理,并制定了相應的教學計劃,如表1所示。

表1 輔助教學內(nèi)容設計

3 教學案例—Boost APFC的Saber仿真

直流斬波電路是“電力電子技術(shù)”教學中的一項重要內(nèi)容,其中升壓斬波電路最為基本與典型的電路。現(xiàn)以升壓型有源功率因數(shù)校正 Boost APFC(Active Power Factor Correction)為例,給出一個具體的Saber實例仿真設計[3]。

本例所設計的升壓型APFC技術(shù)指標為:輸入電壓Vin=85～265Vac/50H z,輸出額定功率P0=120W,輸出電壓V0=400V±10%,工作頻率 f=30～ 300kHz,效率 η>0.9。

1)仿真模型搭建

打開saber sketch,創(chuàng)建一個新的Sch文檔,通過parts gallery工具欄搜索所需元器件,從而建立了升壓APFC的saber模型如圖1所示。圖中線形變壓器的初級電感值為 291μH,次級電感值為32μH,初次級匝數(shù)比為9:1。

圖1 升壓型APFC的仿真模型

2)電感選擇[4]

由于高峰值電流會導致較高的導電損耗,電感的設計必須使得開關周期從零電流開始。達到零點所需要的時間取決于輸入線路電壓和電感,這兩者也決定了工作頻率范圍。電感是根據(jù)最小線路電壓和最低開關頻率處的最大紋波電流而設計。本例中開關頻率 f=65kHz,可以求得所需的電感值:

3)功率開關管選擇

對功率開關管,主要根據(jù)漏源極之間的擊穿電壓、漏極電流及導通的電阻來選用。根據(jù)輸出電壓為V o=400V,本例選用耐擊穿電壓為V DS=600V的MOS管SPW 20N60S5。

4)續(xù)流二極管D選擇

根據(jù)反向擊穿電壓、正向電流和估計的功率來選擇續(xù)流二極管。本例選擇的BYV 260C導通時間短,使得MOSFET管兩端承受正向電壓的時間縮短,從而有利于減少MOSFET的熱應力。

5)分壓電阻R4、R5選擇

APFC的輸出電壓通過R4和R5分壓加到誤差放大器的反向輸入端,該放大器是一個高增益的運算放大器。根據(jù)虛地原理可得輸出電壓:

已知Vo,便可選取R4和R5的值,一般應取較大的阻值,以減少功耗。由于V o=400V,可取R4=1MΨ、R5=6.3kΨ。

6)輸出電容Co選擇

輸出電容C o的值由輸出電壓、輸出紋波電壓和需要存儲的能量決定。由于輸出電壓V o=400V,故電容的額定電壓為400V或者更高。和電容需要存儲的能量有關的一個參數(shù)是系統(tǒng)的保持時間要求,大多數(shù)工業(yè)要求是20m s。從而得到輸出電容C o所需儲能為 ΔE=0.48J(本例輸出功率為120W)。所設計要求的最小輸出電壓是360V,最大輸出電壓為440V。可得Co的值為

本例取電容值為100μF。

7)電流檢測電阻選擇

根據(jù)L6561內(nèi)部電流峰值比較器的鉗位電壓為1.6V,由R3取樣的電壓不能超過1.6V。因此可得

式中, I LP為電感電流的峰值,V i(max)=265V,可以算得R3≤1.124Ψ,現(xiàn)取R3=0.41Ψ。

8)反饋網(wǎng)絡的設計

圖1所示的誤差放大器輸出在 L6561內(nèi)部與乘法器相連,在外部通過RC反饋網(wǎng)絡連接到反相輸入端,把放大器帶寬限制在20Hz(ω=125.66)以內(nèi)。這樣,放大器的輸出電壓在一個交流周期內(nèi)保持相對恒定,以免受到電源頻率的二倍頻紋波的影響。本文采用具有帶寬增益限制的單極點補償網(wǎng)絡[5],極點角頻率公式為

若取C2=0.1μ,則可得R6=79 kΨ。

9)其他元器件的選擇[6]

輸入整流二極管:本例選用1N 5406,其耐擊穿電壓為600V,額定電流為3A。

輸入濾波電容C1:選擇的電容值為 0.47μF,主要用來濾除高頻干擾信號。

輸入分壓電阻 R1和 R2:分壓電阻器是為L6561內(nèi)部乘法器提供輸入?yún)⒖茧妷翰ㄐ蜼 ref,其要求是V ref的電壓值在0.8～3.5V范圍之間。因此本例取R1=4.7kΨ,R2=1MΨ。

10)仿真結(jié)果

對圖1建立的電路模型進行時域分析,仿真環(huán)境參數(shù)設為:End time(截斷時間):120m s,Step time(仿真步長):10μs,Run DC Analysis First(首先執(zhí)行DC分析):選擇Yes,M ax T runcation Error(最大截斷誤差):100μs,其他參數(shù)采用默認值。仿真得到的電感電流波形及輸出電壓波形如圖2和圖3所示,輸入電流和電壓的波形如圖4所示。

圖2 電感電流波形

圖3 輸出電壓波形

圖4 輸入電流電壓波形

由圖2可知,電感電流的波形基本呈正弦波與理論分析接近。由圖3可知,輸出電壓穩(wěn)定時,其紋波的波動大小在設計的技術(shù)指標的規(guī)定范圍內(nèi)。圖4中,電流的波形跟隨電壓的波形,具有較高的PF值。

從該教學實例不難看出,將Saber仿真技術(shù)應用于“電力電子技術(shù)”課程的教學,可以清楚演示APFC的工作原理,有助于學生對教學難點的理解。

4 結(jié)語

我們發(fā)現(xiàn)通過兩個學期的教學實踐發(fā)現(xiàn),在“電力電子技術(shù)”教學中成功應用Saber仿真技術(shù)教學應用,能使學生很好地掌握基本電路的理論知識,又可懂得如何去搭建與調(diào)試電路,使理論與實際緊密的結(jié)合[7]。使分析過程直觀化、理論結(jié)果可視化,對豐富教學手段、提高教學質(zhì)量是一種有益的探索。

[1] 文亞鳳.EDA仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)實踐教學中的應用[J].北京:實驗技術(shù)與管理,2006

[2] 周濤.基于 saber的 PFC Boost變換器仿真研究和實驗驗證[J].北京:電子測試,2010

[3] Linlin Gu.Means of Elimination Electrolytic Capacitor in AC/DC Power Supplies for LED Lightings[J].IEEE transaction on Power Electronics,2009

[4] 陳傳虞.電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器的原理和制造[M].北京:人民郵電出版社,2004

[5] 張衛(wèi)平.開關變換器的建模與控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005

[6] 安美森半導體功率因數(shù)校正(PFC)手冊[Z].2004

[7] 王紅梅.saber在電力電子技術(shù)教學中的應用[J].裝備制造技術(shù),2007

Research on Power Electronics Simulaiton Teaching Based on Saber

QIU Dong-yuan,SUIYong-ming,WANG Xue-mei,ZHANG Bo

(Collegeo f E lectr ic Pow er,Sou th Ch ina University o f Technology,Guangzhou 510640,Ch ina)

Using sim ulational software is an effective teaching method to improve the teaching quantity.Hence,an accessorial teaching method with a sim ulation software Saber is introduced in this paper including teaching aims and contentsof the Power Electronics course.Boost APFC is an examp le to specificly illustrate the process thathow to use Saber in Power Electronic courseeducation activities.The emulational examp le show s that the application o f Saber in Power Electronic teaching can make the analysis p rocess more visual,theoretical resultsmore visualizated,and im prove the teaching quality.

Saber;APFC;simulation

G421

A

1008-0686(2011)02-0081-04

2010-07-28;

2010-11-08

丘東元(1972-),女,博士,副教授,主要從事電力電子裝置與系統(tǒng)的研究工作,E-mail:epdyqiu@scut.edu.cn