文 偉，原騰飛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

基于PSpice的電力電子電路仿真

文 偉，原騰飛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了PSpice的電力電子電路仿真設(shè)計(jì)，結(jié)合電路理論以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行了電力電子電路器件的建模仿真。在PSpice電力電子電路的仿真分析過(guò)程中，結(jié)合建模的分類以及功率二極管模型的建立，盡可能的確定變壓器模型，并進(jìn)行電壓電流仿真?；赑Spice的電力電子電路仿真過(guò)程，不僅優(yōu)化了電子電路仿真的過(guò)程，而且能夠滿足不同的仿真需求。

PSpice 電力電子 電路 仿真

0 引言

如今，電力電子技術(shù)主要是結(jié)合功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)對(duì)電功率流動(dòng)進(jìn)行控制，進(jìn)而做好電能的變換性處理。電力電子系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)裝置，主要是電力電子器件構(gòu)成的，結(jié)合模擬電路，形成一個(gè)非線性的數(shù)模混合系統(tǒng)。PSpice仿真軟件不同于其他仿真軟件，在電力電子電路的動(dòng)態(tài)性仿真過(guò)程中，不僅有著一定的數(shù)字混合仿真功能，而且還能仿真模型庫(kù)的模擬過(guò)程。在模擬過(guò)程中，結(jié)合復(fù)雜電路的時(shí)域性分析，通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化，同時(shí)確定狀態(tài)方程的模型結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行電路仿真。該軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能，結(jié)合模擬電路的硬件模式，自動(dòng)進(jìn)行電路檢索。同時(shí)，PSpice仿真軟件允許用戶對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改使用，同時(shí)允許用戶結(jié)合狀態(tài)方程和拉普拉斯函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行創(chuàng)建，控制應(yīng)用數(shù)學(xué)方程的基本模塊，具有較好的仿真效果，數(shù)據(jù)的處理也十分方便，仿真波形效果相對(duì)較好。伴隨著電力電子電路的發(fā)展，對(duì)于如何做好電力電子電路的仿真始終是人們高度重視的一個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)此進(jìn)行了深入研究，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 PSpice的基本構(gòu)成和模擬功能

1.1 PSpice的基本構(gòu)成

PSpice作為電力電路計(jì)算機(jī)輔助的一種電力電路模擬軟件，在電路硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程，主要是做好電路的模擬設(shè)計(jì)。PSpice由6個(gè)基本模塊構(gòu)成：電路原理圖編輯程序Schematics、電路仿真程序PSPICE A/D、激勵(lì)源編輯程序Stimulus Editor、模型參數(shù)提取程序Model Editor、輸出結(jié)果繪圖程序Prode、元件模型參數(shù)庫(kù)LIB。用戶通過(guò)對(duì)6個(gè)模塊的靈活使用，對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)用戶的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1.2 PSpice的模擬功能

PSpice在模擬直流電路功能的分析中，結(jié)合電路的直流工作點(diǎn)，在電容開(kāi)路的時(shí)候，計(jì)算電路的節(jié)點(diǎn)；在電路直流小信號(hào)傳輸函數(shù)在電數(shù)的計(jì)算過(guò)程中，確定直流小信號(hào)工作的輸出電路，同時(shí)確定直流轉(zhuǎn)移性曲線的結(jié)果，進(jìn)而確定小信號(hào)模型參數(shù)、幾何線性，分析頻域和噪聲，完成對(duì)電路的模擬仿真。

2 建模分類和仿真過(guò)程

2.1 建模分類

建模分類的過(guò)程，主要是結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真的相關(guān)要求，在一定電壓電流的溫度范圍內(nèi)，確定器件的參數(shù)物理量，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的簡(jiǎn)單化處理。基于計(jì)算機(jī)電路的分析過(guò)程，盡可能地優(yōu)化電路模型，進(jìn)而做好電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供最優(yōu)化的器件制造方案。物理模型主要是結(jié)合器件的輸入輸出控制，做好物理結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋮?shù)的分析工作，在微分方程的解析階段，實(shí)現(xiàn)有限元以及有限差分的計(jì)算和分析。電學(xué)模型的確定，是從物理原理理念出發(fā)，其基本模型也是結(jié)合電子器件的基本物理規(guī)律，簡(jiǎn)化模型的參數(shù)設(shè)計(jì)，做好子電路模型的參數(shù)分析。建模過(guò)程也存在數(shù)學(xué)模型，用戶通過(guò)結(jié)合器件的物理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)抽象中的數(shù)學(xué)編程，進(jìn)而結(jié)合自身的需求不斷完善模型的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2.2 仿真過(guò)程

制作新器件模型的時(shí)候，應(yīng)將PSpice元器件的代號(hào)做好設(shè)計(jì)，結(jié)合 PSpice模型的通用子電路進(jìn)行分析，在新建器件代號(hào)的確定階段，軟件將自動(dòng)處理特殊的元器件。首先點(diǎn)擊“Edit Symbol”進(jìn)行編輯，創(chuàng)建圖形界面代號(hào)語(yǔ)法規(guī)則，即做好語(yǔ)法的分析。然后在 Name中添加FILENAME，進(jìn)行子電路元器件的制作、保存屬性，最后在原理圖中進(jìn)行復(fù)選。注意子電路用方塊表示，在X-subckt中。對(duì)于子電路引用示意圖，如圖1所示。

變壓器的仿真過(guò)程，一般通過(guò)結(jié)合電壓互感器的方法得到波形。但是電感元器件的參數(shù)比較單一，有時(shí)候電量傳遞會(huì)無(wú)法合理準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，尤其在軟件的仿真中難以體現(xiàn)出效果。因此變壓器的仿真工作設(shè)計(jì)，就要結(jié)合變壓器和耦合電感的數(shù)據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)，結(jié)合子電路的基本形式，模擬實(shí)際使用中變壓器的工作情況，做好實(shí)際的仿真工作。在本文中，我們采用單端反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器進(jìn)行電路仿真。單端反激式開(kāi)關(guān)變壓器具有電壓、電氣隔離、耦合傳送能量等功能，其原理圖如圖2所示。

圖1 子電路引用示意圖

圖2 單端反激原理圖

首先，是在 PSpice軟件中進(jìn)行電路圖的繪制，主要是通過(guò)電路原理圖編輯程序 Schematics模塊，確定變壓器的PSpice模型，將生成的文件放置在CADENCE的目錄下。然后通過(guò)模型參數(shù)提取程序Model Editor模塊確定子電路，通過(guò)輸出結(jié)果繪圖程序Prode模塊自動(dòng)生成的文件完成子電路的設(shè)計(jì)，最后通過(guò)電路仿真程序 PSpice A/D模塊完成該變壓器的仿真。仿真過(guò)程的變壓器原副邊的電流情況如圖3所示，原副邊電壓情況如圖4所示。

圖3 仿真過(guò)程的變壓器原副邊電流

從仿真結(jié)果可以看出，原副邊電壓波形達(dá)到了預(yù)期的要求，表明單端反激式變壓器能很好地解決參數(shù)波動(dòng)的問(wèn)題，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，有著較好的能量傳遞效果，同時(shí)原副邊的電流變化也是隨著負(fù)載的改變具有比較穩(wěn)定的變化，但是同時(shí)，我們通過(guò)對(duì)仿真軟件的觀察，發(fā)現(xiàn)電壓輸出波形并不是完全的理想化波形，具有少許不收斂性。這是因?yàn)镻Spice軟件在進(jìn)行電路分析時(shí)，都是將電路的各種參數(shù)通過(guò)方程組的方式進(jìn)行運(yùn)算。出現(xiàn)這種情況的時(shí)候，我們可以減小軟件對(duì)方程組的計(jì)算精度，根據(jù)實(shí)際需求修改VNTOL、ABSTOL、RELTOL等精度參數(shù)，減少軟件對(duì)方程組的計(jì)算頻率，解決上述不收斂問(wèn)題?？梢钥闯觯琍Spice軟件在電力電子電路仿真時(shí)，設(shè)計(jì)方便，而且可以及時(shí)地根據(jù)各種需求，進(jìn)行模塊的選取、參數(shù)的修改，有效地進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖4 仿真過(guò)程的變壓器原副邊的電壓

3 結(jié)語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也日漸成熟，現(xiàn)在用戶越來(lái)越注重仿真特性的傳達(dá)，電子電路的仿真參數(shù)的優(yōu)化，同時(shí)要保證有著較高的精度和穩(wěn)定性。從本文的仿真探討可以看出，基本PSpice的電力電子電路仿真過(guò)程，精度高、穩(wěn)定性好、設(shè)計(jì)修改方法簡(jiǎn)單。PSpice軟件采用其特有的算法，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的應(yīng)用模塊，很好地滿足了電力電子電路研究的要求。

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PSpice-based Simulation of Power Electronic Circuit

Wen Wei , Yuan Tengfei
( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper introduces the Pspice simulation of power electronic circuits. Combined with the circuit theory and computer technology, the modeling and Simulation of power electronic circuit device is done. In the process of Pspice power electronic circuit simulation, Combined with the classification of models and the establishment of power diode model, the model of transformer is determined, and the voltage and current are simulated. The PSpice-based simulation of power electronic circuit not only optimizes process of the power electronic circuits, but also meets the needs of different simulation.

PSpice; power electronics; circuit; simulation

TN710

A

：1003-4862（2017）02-0038-03

2016-08-12

文偉(1986-)，男，碩士研究生。研究方向：控制理論與控制工程。E-mail：newwen@163.com