Saber軟件在“電力電子裝置及技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：為了提高“電力電子裝置及技術(shù)”課程的教學(xué)效果，將Saber仿真軟件應(yīng)用于教學(xué)過程中。通過對Saber仿真軟件在雙管正激變換器中的案例教學(xué)，學(xué)生掌握了所學(xué)電力電子裝置的工作原理、參數(shù)設(shè)計(jì)過程以及如何采用Saber仿真軟件驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。通過上述仿真教學(xué)，提高了教學(xué)效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子裝置的興趣，具有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電力電子裝置；Saber仿真；變換器；實(shí)踐教學(xué)

作者簡介：姚志壘（1981-），男，江蘇溧陽人，鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，副教授。（江蘇#8194;鹽城#8194;224051）

基金項(xiàng)目：本文系鹽城工學(xué)院2013年度校級教改研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：32）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0071-02

“電力電子裝置及技術(shù)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)選修課。[1]該課程重點(diǎn)講解常用電力電子裝置的工作原理、參數(shù)設(shè)計(jì)及其需要解決的共同技術(shù)問題。[2]仿真和實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證電力電子裝置工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)正確性的兩種常用手段。由于課時及實(shí)驗(yàn)裝置資源的限制，學(xué)生不可能將各種電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都做驗(yàn)證，因此用仿真的方法不僅可以初步驗(yàn)證電路原理和參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，還能仿真試驗(yàn)極限條件下的特殊情況，從而有效地減少電力電子裝置的設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短電力電子裝置的設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，提高裝置的可靠性。[3]

Saber仿真軟件是美國Synopsys公司開發(fā)的一款系統(tǒng)仿真軟件，為復(fù)雜的混合信號設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個功能強(qiáng)大的混合信號仿真器，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，可以解決從系統(tǒng)開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證等一系列問題。[4]電力電子裝置是由控制電路、保護(hù)電路、驅(qū)動電路和主電路等組成的混合信號系統(tǒng)，因此，Saber軟件非常適合“電力電子裝置及技術(shù)”課程的輔助教學(xué)。本文將以工業(yè)界廣泛應(yīng)用的雙管正激變換器為例，詳細(xì)介紹Saber軟件在“電力電子裝置及技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用。

一、雙管正激變換器的工作原理

圖1是雙管正激變換器的電路圖，其中，Uin是輸入電壓，S1和S2為開關(guān)管，D1～D4為二極管，NP和NS分別為變壓器的原邊繞組和副邊繞組，L1為濾波電感，iL為流過濾波電感L1的電流，C1為濾波電容，RL是負(fù)載，Io為輸出電壓，Uo為輸出電壓。

當(dāng)S1和S2閉合時，電源通過變壓器向負(fù)載傳遞能量，D1和D2承受反壓截止，且承受的電壓都為Uin，二極管D3導(dǎo)通，D4截止且承受的電壓為變壓器副邊電壓，iL線性上升；當(dāng)S1和S2關(guān)斷時，S1和S2承受的電壓都為Uin，變壓器通過D1和D2磁復(fù)位，濾波電感L1通過D4續(xù)流，D3截止且承受的電壓為變壓器副邊電壓，iL線性下降。

二、電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)雙管正激變換器工作在電感電流連續(xù)模式，其主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓Uin為220～340VDC，輸出電壓Uo為14V，開關(guān)頻率fs為200kHz，輸出功率Po為300W，最大占空比dmax為0.47。

1.變壓器變比設(shè)計(jì)

由濾波電感伏秒平衡可知，變換器輸入輸出電壓關(guān)系為：

（1）

為了在規(guī)定輸入電壓和占空比范圍內(nèi)輸出所要求的電壓，變壓器變比應(yīng)按最低輸入電壓Uin(min)和最大占空比dmax選取。

（2）

由式（1）可知，原副邊匝比太小會導(dǎo)致占空比太小，從而會降低效率和提高副邊整流二極管的電壓應(yīng)力。因此，取變壓器原副邊變比為7。

2.濾波電感設(shè)計(jì)

由輸出功率Po和輸出電壓Uo可得輸出電流Io為：

（3）

濾波電感電流脈動ΔiL通常取Io的20%，可得濾波電感L1為

（4）

由式（1）可知，在變壓器變比確定后，占空比d隨Uin的變化而變化，因此，為了保證在整個輸入電壓范圍內(nèi)ΔiL都不大于Io的20%，式（4）中的d應(yīng)取最小值。將數(shù)據(jù)代入式（1）和（4）可得L1為11.63μH。

3.濾波電容設(shè)計(jì)

輸出電壓脈動ΔUo取Uo的0.8%，從而可得C1為：

（5）

為了保證在整個輸入電壓范圍內(nèi)ΔUo都不大于Uo的0.8%，式（5）中的ΔiL應(yīng)取最大值，即Io的20%，將數(shù)據(jù)代入式（5）可得C1為24μF，取25μF。

三、仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，采用Saber軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。具體步驟如下：首先搭建仿真電路圖，其次設(shè)置仿真參數(shù)并仿真，再次運(yùn)用CosmosScope查看并導(dǎo)出所需仿真波形，最后分析仿真結(jié)果。

1.搭建仿真電路圖

搭建仿真電路圖的具體步驟如下：一是啟動Saber Sketch應(yīng)用程序；二是從Parts Gallery選擇相應(yīng)的元件放至Schematic編輯區(qū)中，設(shè)置輸入電源電壓、開關(guān)管驅(qū)動信號、變壓器變比、濾波電感、濾波電容和負(fù)載中的相關(guān)參數(shù)；三是保存仿真電路圖，最終得到所搭建雙管正激變換器的仿真電路圖，如圖2所示。

此外，搭建仿真電路圖過程中需要注意以下事項(xiàng)：一是設(shè)置仿真參數(shù)時，變量不用寫單位；不區(qū)分大小寫；希臘字母μ用字母u代替；兆不能用M，而應(yīng)用meg，否則表示為毫。如濾波電容25μF應(yīng)寫為25u。二是仿真電路圖必須放置Ground地線符號，否則無法進(jìn)行仿真。三是仿真電路圖只能以英文或數(shù)字命名，并且只能保存在以英文或數(shù)字命名的文件夾中。

2.設(shè)置仿真參數(shù)

設(shè)置仿真參數(shù)的具體步驟如下：一是在工具欄中點(diǎn)擊時域瞬態(tài)分析（Time Domain Transient Analysis）按鈕。二是在彈出的對話框中選擇Basic標(biāo)簽，設(shè)置結(jié)束時間（End Time）、步長（Time Step）、開始時間（Start Time），其中開始時間通常取默認(rèn)值，結(jié)束時間和步長根據(jù)開關(guān)頻率和系統(tǒng)穩(wěn)定所需時間而定。本文取結(jié)束時間為2ms，步長為100ns。注意：在設(shè)置仿真參數(shù)時時間的單位“s”應(yīng)省略。三是選擇Plot After Analysis下拉菜單中的Yes-Open Only，該選項(xiàng)表示仿真結(jié)束后自動打開CosmosScope。四是單擊Ok按鈕進(jìn)行仿真。

3.查看并導(dǎo)出仿真結(jié)果

在打開的CosmosScope中，選擇所要查看的波形，選擇File菜單中的Export Image選項(xiàng)，導(dǎo)出所需要的仿真波形。圖3和圖4分別是輸入電壓為220V和340V時的仿真波形圖，其中，iL為濾波電感電流，Uo為輸出電壓。

4.分析仿真結(jié)果

由圖3和圖4可知，220V輸入電壓下的ΔiL和ΔUo比340V輸入電壓下的小。主要原因在于：由式（1）可知，在輸出電壓和變壓器變比確定的情況下，輸入電壓較低時占空比較大，然后由式（4）可知，較大占空比對應(yīng)的ΔiL較小，再由式（5）可知較小ΔiL對應(yīng)的ΔUo也較小。此外，由圖3和圖4可知，ΔiL在整個輸入電壓范圍內(nèi)都不大于Io的20%，即4.286A；ΔUo在整個輸入電壓范圍內(nèi)都不大于Uo的0.8%，即0.112V。因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

上述分析是從定性的角度驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，下面從定量的角度驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。將已知參數(shù)代入式（1）、（4）和（5）可得，輸入電壓為220V時ΔiL和ΔUo分別為3.3378A和0.08345V；輸入電壓為340V時ΔiL和ΔUo分別為4.286A和0.1071V。由圖3和圖4可知，仿真情況下，輸入電壓為220V時ΔiL和ΔUo分別為3.2784A和0.08648V；輸入電壓為340V時ΔiL和ΔUo分別為4.2748A和0.1105V。由上述數(shù)據(jù)可知，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。存在細(xì)微區(qū)別的主要原因在于：仿真中考慮了開關(guān)管和二極管的導(dǎo)通壓降，仿真模型中C1考慮了0.002Ω的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistor，簡稱ESR）。因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性。

四、結(jié)束語

在學(xué)生掌握電力電子裝置工作原理的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電路技術(shù)指標(biāo)運(yùn)用所學(xué)理論知識設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，再運(yùn)用Saber仿真軟件分別通過搭建仿真電路圖、設(shè)置仿真參數(shù)、查看并導(dǎo)出仿真結(jié)果和分析仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證的教學(xué)方法，具有直觀、真實(shí)和形象等特點(diǎn)，使理論與實(shí)際聯(lián)系更緊密。通過上述仿真教學(xué)，使得學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有了更深刻的理解與認(rèn)識，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，為學(xué)生以后畢業(yè)設(shè)計(jì)、攻讀研究生和工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳仲.“電力電子裝置及控制”課程教學(xué)設(shè)計(jì)的研究與探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008，(S1).

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[3]楊蔭福，段善旭，朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012.

[4]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，2011，(2).

（責(zé)任編輯：王意琴）