Saber仿真在Buck電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：在電力電子技術(shù)的仿真過程中，采用Saber仿真軟件可以使教學(xué)過程更為生動(dòng)直觀。本文首先闡述了采用Saber仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)的必要性，然后通過對(duì)仿真波形的分析，逐步對(duì)Buck降壓電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行推導(dǎo)，教學(xué)過程生動(dòng)直觀，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高有明顯的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：Saber Buck 仿真

中圖分類號(hào)：G43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（a）-0195-02

《電力電子技術(shù)》是電氣類學(xué)生普遍反映比較難的一門課程，其原因主要在于：一方面電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多且復(fù)雜；另一方面是由于器件工作狀態(tài)不斷變化，導(dǎo)致電路工作狀態(tài)較多，使得電路工作波形復(fù)雜，學(xué)生理解起來較為困難。課件的引入，再加上動(dòng)畫演示，能夠幫助學(xué)生理解各工作狀態(tài)的波形，但是在教學(xué)過程中仍然顯得過于理論化，與實(shí)踐相脫節(jié)，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。引入仿真軟件教學(xué)后，教師可以在仿真中一邊搭建電路，一邊針對(duì)電路的構(gòu)成進(jìn)行講解，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改，仿真后讓學(xué)生觀察工作波形的變化情況，學(xué)生對(duì)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)的理解將更為深刻。同時(shí)，學(xué)生參與到仿真分析中，增加了教學(xué)的互動(dòng)性，同時(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[1]。

Saber是1987年由Analogy公司推出的一款仿真軟件，到現(xiàn)在已有二十多年的歷史[2]。它主要用于混合信號(hào)和混合技術(shù)領(lǐng)域的仿真驗(yàn)證，主要分為三個(gè)部分：SaberGu

ide、SaberSketch和SaberScope。SaberSketch主要用于繪制電路圖，而SaberGuide用于仿真控制，仿真結(jié)果可在SaberScope查看。與其他仿真軟件相比，Saber具有以下特點(diǎn)：（1）器件庫豐富。它包含了各種元器件的理想模型，以及各大公司生產(chǎn)的常用芯片模型。（2）分析功能全面。它既包含了DC工作點(diǎn)分析、時(shí)域分析、頻域分析等基本分析功能，還包含溫度、參數(shù)靈敏度、蒙特卡諾、噪聲等各種高級(jí)分析功能。（3）數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。可以自由的對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和比較乃至運(yùn)算。因此Saber仿真軟件在電力電子仿真中應(yīng)用非常廣泛，將其與電力電子技術(shù)教學(xué)相結(jié)合，將更有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路工作原理的理解。

1 采用Saber仿真軟件教學(xué)的必要性

直流變換電路與電力電子技術(shù)中其他變換電路相比，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以作為電力電子技術(shù)的入門教學(xué)部分。與在模擬電子技術(shù)中所學(xué)的線性電源不同，電力電子技術(shù)中的直流變換電路采用電力電子器件作為開關(guān)管使用，電路分為開關(guān)管開通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，同時(shí)電路采用電感、電容作為濾波或者能量緩沖元件。多種工作狀態(tài)，以及元器件的多種功能，使得直流變換電路雖然較為簡(jiǎn)單，但是對(duì)于學(xué)生來講，入門分析卻較為復(fù)雜。Buck變換器即降壓變換器，是直流變換電路中最簡(jiǎn)單的一種，其電路中所用到的元器件在其他更為復(fù)雜的電路中也有相同的應(yīng)用，因此Buck變換器是研究直流變換電路的基礎(chǔ)。采用Saber仿真軟件逐步對(duì)Buck電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行推導(dǎo)，可以加強(qiáng)理解各元器件所起的作用，掌握分析其工作原理的方法，為相關(guān)電路的進(jìn)一步分析打下基礎(chǔ)。

另外，在電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，將設(shè)計(jì)后的技術(shù)指標(biāo)與數(shù)據(jù)搭建成仿真電路，由于和實(shí)際電路參數(shù)一致，其得出的仿真結(jié)果與實(shí)際電路運(yùn)行結(jié)果基本一致，因此仿真軟件經(jīng)常用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，以避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)所造成的浪費(fèi)，所以目前在電力電子行業(yè)中，無論是設(shè)計(jì)還是研發(fā)，都要用到仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。從這方面考慮，在電力電子技術(shù)教學(xué)中加入仿真軟件的教學(xué)，可以加強(qiáng)學(xué)生理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力，提高學(xué)生進(jìn)入社會(huì)后的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 基于Saber的Buck電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)

要實(shí)現(xiàn)直流降壓變換，最簡(jiǎn)單的方式莫過于在電路中加入開關(guān)管，通過對(duì)開關(guān)管的周期性控制，來減少電源輸送到負(fù)載的能量，從而使輸出電壓的平均值降低[3]。仿真電路如圖1（a）所示，電源電壓為DC24V，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形周期為T=20μs，占空比D=0.5，即開關(guān)管每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間ton=10μs。仿真結(jié)果如圖2（a）所示，顯然輸出電壓Vo的波形與驅(qū)動(dòng)波形相似，為矩形波，其平均值為12V。這種矩形波雖然是直流電壓，但是含有大量的交流分量，不適合用于對(duì)電壓紋波要求較高的場(chǎng)合，因此為減小紋波必須加入濾波器。一般針對(duì)電壓紋波，可采用電容器進(jìn)行濾波。我們?cè)诜抡骐娐分械呢?fù)載上并上470μF的電容，如圖1（b）所示，仿真后的波形如圖2（b）所示，顯然輸出電壓的交流分量被濾除，只剩下直流分量，近似于恒定的直流電壓，其大小為原波形的平均值Vo=DVin=12V。但是，由于輸入電壓與輸出電壓不相等，開關(guān)管的通斷必然引起電容上電壓的突變，導(dǎo)致電容產(chǎn)生很大的充放電流，引起電流尖峰。由仿真結(jié)果可以看出，開關(guān)管上的電流尖峰為輸出電流的5倍以上，很容易導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。為了抑制電流尖峰，保護(hù)開關(guān)管，可以考慮在電路中串入能夠抑制電流變化的電感元件。我們?cè)诜抡骐娐返拈_關(guān)管上串入100μH的電感，如圖1（c）所示。仿真后的波形如圖2（c）所示，可以看出電路中的電流尖峰減小到了開關(guān)管可承受的范圍。但這樣，電路是否就能正常工作了呢，我們觀察開關(guān)管DS兩端的電壓可以發(fā)現(xiàn)，它大大超過了開關(guān)管的耐壓值。其原因是串入電感后，由于開關(guān)管的通斷，造成流過電感的電流突變，電感的感應(yīng)電壓與輸入電壓相疊加后加在開關(guān)管DS兩端，造成電壓尖峰，開關(guān)管瞬間擊穿損壞。然而此時(shí)不能再并入電容對(duì)電壓尖峰進(jìn)行抑制，否則會(huì)循環(huán)產(chǎn)生電流尖峰，因此在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，必須為電感電流提供續(xù)流路徑，而在開關(guān)管開通時(shí)此路徑必須關(guān)斷，即該路徑必須具有單向?qū)щ娦?，由此，我們可以選擇并入二極管，并且方向?yàn)殛帢O朝上。修改后的仿真電路如圖1（d）所示，這就是Buck變換器完整的電路結(jié)構(gòu)。電路的工作波形如圖2（d）所示，電路正常工作。通過以上的分析可以得出主要元器件的作用。

開關(guān)管主要用來控制能量的輸送，開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)開通時(shí)間越長(zhǎng)，負(fù)載得到的能量越多，輸出電壓越高，反之則輸出電壓越低。

電容主要用于濾波，保證輸出電壓的平穩(wěn)。

電感用于緩沖能量，抑制電容產(chǎn)生的電流尖峰。

二極管為電感電流提供續(xù)流通路。

另外，若需進(jìn)一步抑制開關(guān)管和二極管上的電壓尖峰，可以繼續(xù)引入RCD緩沖電路的教學(xué)。

以上的仿真實(shí)例可以清楚的演示出Buck電路的推導(dǎo)過程，通過對(duì)工作波形的分析，逐步加入所需的元器件，有效的加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)各元器件功能以及電路工作原理的理解。

3 結(jié)語

通過教學(xué)實(shí)踐，我們可以發(fā)現(xiàn)，在電力電子技術(shù)教學(xué)過程中采用Saber仿真軟件，對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步推導(dǎo)，能夠使分析過程更為直觀，其工作波形的變化使各元器件的作用一目了然，教學(xué)過程更為形象有趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)和參與的積極性被充分調(diào)動(dòng)起來，在學(xué)習(xí)的過程中學(xué)生也能主動(dòng)設(shè)計(jì)電路，加強(qiáng)了理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王紅梅，黃華飛，唐春霞.Saber仿真在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2007（1）：80-82.

[2] 丘東元，眭永明，王學(xué)梅，等.基于Saber的“電力電子技術(shù)”仿真教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（2）：81-84.

[3] 張興，黃海宏.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.