本文作者：楊浩東 王偉 單位：江蘇常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院

常用電力電子仿真軟件的特點(diǎn)

Matlab軟件下有專門針對(duì)功率系統(tǒng)仿真的相應(yīng)工具箱PowerSystem，該工具箱建立了電力電子器件、無源元件、變壓器以及電動(dòng)機(jī)等各種功率器件的理想模型，特別容易與Matlab下強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能接口，在算法和原理驗(yàn)證方面具有獨(dú)特的性能，但對(duì)于電力電子器件模型仍為較理想模型，一般只用于原理性驗(yàn)證。

Psim是一款小巧的專門針對(duì)功率系統(tǒng)仿真的軟件，包含了豐富的電力電子器件模型和一些常用的算法模塊，但該軟件用到的模型一般都為理想模型，與Matlab類似，一般也只用于算法和原理性的驗(yàn)證。

Pspice和Saber軟件是市場上較為成熟的電子系統(tǒng)仿真軟件，能夠完成電路的直流分析、交流分析、參數(shù)分析以及瞬態(tài)分析，其包含的器件模型與實(shí)際模型較為接近，且各大功率器件和芯片廠商都提供了針對(duì)這兩個(gè)軟件的器件仿真模型，可以直接從廠商網(wǎng)站得到。采用這兩軟件，能夠得到與實(shí)驗(yàn)特別接近的仿真結(jié)果，但這兩款軟件對(duì)于初次接觸電力電子課程的學(xué)生較難掌握，需要較多的基礎(chǔ)知識(shí)準(zhǔn)備。

SIMetrix/SIMPLIS軟件是一款體積較小的可用于電力電子仿真的專業(yè)軟件，其內(nèi)部提供了兩種仿真模式，一種是SIMetrix方式，與Pspice仿真算法基本相同，仿真速度較慢；另一種為SIMPLIS，采用分段線性化的求解方式，仿真速度較快。該軟件內(nèi)部包含了豐富的電力電子器件和控制芯片模型，并且能夠?qū)隤spice的相關(guān)模型，容易擴(kuò)展。該軟件仿真速度快，且能得到與實(shí)際較為接近的波形。

不同仿真軟件在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用

電力電子器件特性的掌握是電力電子課程中關(guān)鍵的一部分內(nèi)容，該部分內(nèi)容中電子器件的工作原理雖然在模擬電子技術(shù)中有所涉及，但電力電子中關(guān)注的內(nèi)容與弱電電路中的器件不同，如二極管，高頻功率電路中更加關(guān)注二極管的反向恢復(fù)特性等，如功率場效應(yīng)器件（Mosfet），在功率電路中更加關(guān)注其開通關(guān)斷的特性。Mosfet的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)往往是其能否可靠工作的關(guān)鍵，該部分內(nèi)容在教學(xué)時(shí)，可以利用Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等幾個(gè)軟件器件模型較為精確的特點(diǎn)，采用仿真分析的方法來講述該部分內(nèi)容，形象直觀，學(xué)生易于理解。如圖1中在研究驅(qū)動(dòng)Mosfet時(shí)，由于門極驅(qū)動(dòng)走線引起的電感對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響，圖1中L1為走線電感，R2為門極電阻，圖1中給出了當(dāng)R2為5歐姆和50歐姆時(shí)Mosfet管門極上的電壓波形，從圖中可以看出，當(dāng)門極電阻較小時(shí)，容易引起驅(qū)動(dòng)電壓的振鈴現(xiàn)象，當(dāng)R2為50歐姆時(shí)，振鈴現(xiàn)象消失，但驅(qū)動(dòng)速度會(huì)相應(yīng)變慢。學(xué)生通過仿真演示或自己動(dòng)手仿真，能夠?qū)ζ骷南嚓P(guān)特性有更加直觀的理解。

電力電子課程中，介紹了大量的拓?fù)潆娐罚诜治鲞@些電路時(shí)，都需要對(duì)電路中各個(gè)器件在不同時(shí)刻的電壓和電流波形進(jìn)行分析，這時(shí)一般都為電路的工作原理講解，不需要對(duì)器件的特性進(jìn)行考慮，可以在理想器件模型下進(jìn)行分析。如在相控整流、DC/DC變換這兩部分內(nèi)容，有大量的波形分析，這時(shí)可以借助于Psim分析軟件來完成，該款軟件操作和設(shè)置十分簡單，學(xué)生較為容易掌握。如圖2為對(duì)Boost升壓電路原理進(jìn)行仿真的電路圖和得到的相關(guān)波形，學(xué)生通過自己動(dòng)手或老師演示，對(duì)電路中一些關(guān)鍵波形進(jìn)行分析，這樣可以使這部分內(nèi)容讓學(xué)生能夠更為直觀的理解。

電力電子課程中也講述了一些開關(guān)器件的控制算法，如PWM調(diào)制算法，在講述該部分內(nèi)容時(shí)，可以利用Matlab容易建立數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，如SPWM、SVPWM以及諧波注入的PWM調(diào)制算法等，用Matlab實(shí)現(xiàn)相比其他軟件要方便的多。

對(duì)于電力電子中的一些實(shí)驗(yàn)，可以借助于軟件仿真來實(shí)現(xiàn)，Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等幾個(gè)軟件中不僅有豐富的器件模型，而且控制芯片也相當(dāng)豐富，可以在這些軟件下完成一些更為復(fù)雜的電路仿真，如帶閉環(huán)的DC/DC變化電路等，這樣不僅為理解芯片的工作原理提供方便，同時(shí)也能為電路器件參數(shù)的選擇提供參考。

結(jié)論

目前用于電力電子仿真的軟件相當(dāng)豐富，并且各軟件公司也都提供了相應(yīng)的學(xué)生版本，在教學(xué)過程中，針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容可以引入合適的仿真軟件。對(duì)于一些電路的波形分析或原理驗(yàn)證，只需要考慮器件的理想特性，可以考慮采用Psim軟件；對(duì)于一些算法的仿真，可以采用Matlab來實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于器件介紹或?qū)嶒?yàn)?zāi)M等需要考慮器件的實(shí)際特性時(shí)，可以采用Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等軟件。