基于Pspice仿真軟件電力電子技術(shù)教學(xué)研究

【摘要】《電力電子技術(shù)》這門課的實(shí)用性比較強(qiáng)，而且大部分內(nèi)容還較抽象。在電力電子技術(shù)教學(xué)中引入Pspice仿真技術(shù)來講解相關(guān)內(nèi)容，可使得枯燥的知識(shí)理解的更直觀。本文以同步Buck電路為例進(jìn)行仿真和分析，實(shí)踐證明，利用Pspice仿真技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以克服利用硬件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的不足，同時(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；Pspice；同步Buck電路

電力電子技術(shù)作為電氣工程專業(yè)的一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系非常緊密，其內(nèi)容繁雜，原理抽象，圖形復(fù)雜，同時(shí)又涉及電子，電力，控制理論等多學(xué)科內(nèi)容，是多數(shù)學(xué)生認(rèn)為比較難學(xué)、難懂的一門課程。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)容不斷增加，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)獲得更好的教學(xué)效果，讓學(xué)生較好地掌握課程內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科學(xué)創(chuàng)新精神、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就成了一項(xiàng)迫切需要解決的問題。隨著計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，目前針對(duì)電力電子技術(shù)的仿真軟件已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)當(dāng)中。將Pspice電力電子計(jì)算機(jī)仿真軟件引入教學(xué)活動(dòng)中不僅貼近工程實(shí)際，更能將晦澀復(fù)雜的變流原理直觀地展示出來，提高教學(xué)效果。本文利用Pspice軟件對(duì)同步Buck電路進(jìn)行了仿真，取得了較好效果。

一、Pspice仿真軟件介紹

Pspice軟件是市場(chǎng)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)這個(gè)軟件的器件仿真模型，可以直接從廠商網(wǎng)站得到。Pspice軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。采用這款軟件，能夠得到與實(shí)驗(yàn)特別接近的仿真結(jié)果。

二、基于Pspice仿真同步Buck電路研究

（一）同步Buck電路工作原理

為了保證電路中電流無論輕載還是重載都保持連續(xù)，并實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，將傳統(tǒng)Buck電路中的續(xù)流二極管換為MOSFET開關(guān)管如圖2-2所示，即同步Buck電路，如圖1所示。

圖1 同步Buck電路

從上圖可看出，開關(guān)管 電流可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，當(dāng)輕載時(shí)濾波電感電流為零時(shí)，電感電流反向流動(dòng)從而確保電感電流連續(xù)。由于MOSFET體內(nèi)存在寄生電容和寄生二極管，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)合理設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，若器件寄生參數(shù)不合適，可在MOSFET兩端反并聯(lián)肖特基二極管和合適電容 。

（二）同步Buck電路仿真分析

為了驗(yàn)證電路輕載時(shí)，電感電流能夠反向并連續(xù)，以及軟開關(guān)的特點(diǎn)。對(duì)同步Buck電路利用Pspice仿真軟件進(jìn)行了仿真分析，如圖2所示。

仿真參數(shù)：直流輸入48 V；電感 取10 micro;H；濾波電容 取值470 micro;F；負(fù)載 為10 ；開關(guān)管并聯(lián)電容利用本身寄生電容，設(shè)計(jì)輸出20 V。

圖2 同步Buck電路圖

輸出電壓仿真如下圖3所示，電路負(fù)載擾動(dòng)為滿載-半載-滿載。

圖3 輸出電壓波形

從圖3中可以看出，電路的超調(diào)量不大，即保證了系統(tǒng)的快速性又防止過大的超調(diào)，當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)仍能較好的保持輸出穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)開關(guān)管軟開關(guān)，兩驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)之間需合理設(shè)置死區(qū)時(shí)間，如圖4所示為主開關(guān)管 和輔助開關(guān)管 的驅(qū)動(dòng)電壓波形。

圖4和 的驅(qū)動(dòng)波形

從上圖可以看出，兩驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)之間有一定的死區(qū)時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)提供了可能。

同步Buck電路電感電流能反向也是實(shí)現(xiàn)開關(guān)管軟開關(guān)的前提條件，如下圖5所示。

圖5驅(qū)動(dòng) 和電感電流

上圖為 的驅(qū)動(dòng)電壓 和電感電流仿真波形，可以看出電感電流為零后繼續(xù)反向而沒有斷續(xù)，從而輸入輸出的線性關(guān)系能夠保持，還解決了調(diào)節(jié)器在電流斷續(xù)時(shí)設(shè)計(jì)困難的問題。

通過對(duì)兩管驅(qū)動(dòng)電壓 和電壓 波形進(jìn)行仿真，可以直觀的觀察開關(guān)管的軟開關(guān)，如下圖6和圖7所示。

圖6驅(qū)動(dòng) 和電壓

圖7驅(qū)動(dòng) 和電壓

從上圖可以看出開關(guān)管 和 均實(shí)現(xiàn)了ZVS導(dǎo)通和關(guān)斷。因?yàn)閮蓚€(gè)開關(guān)管在導(dǎo)通前，電流已通過反并聯(lián)二極管續(xù)流，因此為ZVS導(dǎo)通。由于開關(guān)管兩端存在寄生電容，從而實(shí)現(xiàn)ZVS關(guān)斷。

三、結(jié)論

將Pspice仿真軟件應(yīng)用電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

1.電力電子技術(shù)實(shí)踐性非常強(qiáng)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)多是依托電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置完成的，但由于電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置操作復(fù)雜，加之實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)熟練掌握裝置的使用方法，而利用仿真軟件直觀易懂的特點(diǎn)，很好地解決了這個(gè)問題。

2.在傳統(tǒng)的裝置實(shí)驗(yàn)中，是利用雙蹤示波器對(duì)電路的相關(guān)波形進(jìn)行觀察和分析的，所以同一時(shí)刻只能分析其中的兩路波形，難以對(duì)電路的各處波形有一個(gè)整體的觀察，從而影響對(duì)電路工作情況的整體了解。Pspice軟件可以同時(shí)觀察電路各點(diǎn)波形并實(shí)時(shí)對(duì)比，使學(xué)生對(duì)電路有了整體的了解。

3.由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及電路元器件的老化等問題也會(huì)使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確甚至出現(xiàn)異常情況，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。Pspice軟件使用軟器件，不僅可以保證器件永不老化，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一性，甚至可以人為設(shè)置器件故障，讓學(xué)生觀察故障現(xiàn)象，使教學(xué)不只停留在理論上，更能讓學(xué)生掌握解決實(shí)際問題的能力。

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