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1、电力电子电路仿真软件综述|l 引言计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。可以说，电路的计算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。本文在介绍设计电气工程电路和系统的有效手段仿真技术的基础上，介绍几款在当前业界流行的几种电力电子仿真软件，并对比分析各仿真软件的优缺点和应用情况。2 仿真是设计电气电路和系统的有效手段电气工程电路及其组
2、成的系统主要功能是能源变换、传递过程的控制。要变换的是电力形态，控制方法靠电子线路。电力与电子结合形成了电力电子学科，它是一个较为年轻的学科。也是多学科交叉的边缘学科。电力本质是能源，有相当惯性，控制它的是电子线路，有相当快速性，两者构成系统，尤其形成闭环系统时，用自动控制术语来说属病态系统，意即有不易解决的稳定性方面的问题。这样的系统品质在20世纪80年代中后期有了飞速的提高。究其原因则是借助于计算机仿真技术。在使用计算机来进行仿真时，选择合适电路设计软件会使该问题得到一定的解决，前段时间的软件多是解决线性、连续工作的稳态电路。本文介绍的软件，既可解决线性电路，也适合非线性电路；既可解决模拟
3、电路，也适合数字电路；既可解决连续状态工作问题，也适合不连续状态工作的问题；既可解决连续稳定工作电路，也适合开关调节的启动工作电路。总之，电气工程电路均可仿真。仿真时，要读取电路中任何一点电流、任何两点间的电压都很容易，还可以进行频率响应、频谱分析、温度分析、参数变化分析、蒙特卡罗分析、最坏情况分析、噪声分析等等。可以说，后面几种分析在面包板实验中是无法模拟进行的，加之，仿真软件是在计算机上运行，所以有使用方便、简单的优点。电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、管理等方面的问题，才能解决好能源转换问题。由此可见，如此复杂的系
4、统工程，只有充分利用计算机处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可见一斑。3 电力电子电路仿真软件31PSpice仿真软件PSpice是由美国Microsim公司在spice2G版本的基础上升级并用于PC机上的Spice版本，其中采用自由格式语言的50版本自20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，并且从60版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商0RCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入0RCAD公司的商业EDA系统中。现在使用较多的是PSpice8.0，工作于Windows环境，占用硬盘空间60M左右，整个软
5、件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。但各个部分都各有各的窗口。与传统的spice软件相比，PSpice在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析。最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSpice的应用范围很广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应用之一。PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特性，
6、通过对电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对电路设计有着重要指导意义。虽然PSpice应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于Spice软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。PSpice采用变步长算法，对于周期性开关状态变化的电力电子电路而言，将造成把大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，输出数据结构的格式兼容
7、性也不甚理想。PSpice的另一问题是仿真的收敛性问题。对复杂电路进行仿真时，有时数据的准确性较低。另外，在磁性元件的模型方面PSpice也有待加强。32saber仿真软件Saber是美国Analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是Saber的最大特点。Saber作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他
8、仿真软件不具备这样的功能。Saber仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软件之一，现从几个方面对Saber仿真软件进行介绍。1 原理图输入和仿真SaberSketch是Saber的原理图输入工具，通过它可以直接进入Saber仿真引擎。在SaberSketch中，用户能够创建自己的原理图，启动Saber完成各种仿真（偏置点分析、IX：分析、AC分析、瞬态分析、温度分析、参数分析、傅里叶分析、蒙特卡罗分析、噪声分析、应力分析、失真分析等），可以直接在原理图上查看仿真结果，SaberSketch及其仿真功能可以帮助用户完成混合信号、混合技术（电气、液压等）系统的仿真分析。SaberSketch
9、中的原理图可以输出成多种标准图形格式，用于报告、设计审阅或创建文档。2 数据可视化和分析CosmosScope是Saber的波形查看和仿真结果分析工具，它的测量工具有50多种标准的测量功能，可以对波形进行准确的定量分析。它的专利工具波形计算器，可以对波形进行多种数学操作。CosmosScope中的图形也可以输出成多种标准图形格式用于文档。3 模型库Saber拥有市场上最大的电气、混合信号、混合技术模型库，它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，其元件模型库中有4700多种带具体型号的器件模型，500多种通用模型，能够满足航空、汽车和电源设计的需求。Saber模型库向用户提供不同层
10、次的模型，支持自上而下或自下而上的系统仿真方法，这些模型采用最新的硬件描述语言（HDL），最大限度地保证了模型的准确性，支持模型共享。4建模不同类型的设计需要不同类型的模型，Saber提供了完整的建模功能，可以满足各种仿真与分析的需求。其建模语言主要有MAST、VHDL-AMS、Fortran，建模工具包括State-AMS、5维的图表建模工具TLU，Saber可以对spice、Simnlink模型进行模型转换，同时Saber还拥有强大的参数提取工具，可以通过协同仿真实现模型复用。Saber的混合信号、混合技术设计和验证能力已经得到了业界的验证，功能强大的原理图输入、仿真分析、模型库、建模语言
11、、建模功能，再加上先进的布局布线设计，使Saber成为业界工程师的首选。Saber的架构和独一无二的模型交换能力为市场提供了最为强大的仿真工具，能够处理所有的仿真需求。与PSpice相比，Saber是功能更为强大的仿真软件，它可以仿真电力电子元件、电路和系统，不仅具有PSpice的功能，而且具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力，还能结合数学控制方程模块工作。Saber还可以仿真电力传动、机械、热力、流体等其他运动过程。Saber的仿真真实性很好，从仿真电路到实际的电路实现，期间参数基本不用修改。与PSpice相仿，Saber的数据处理量亦相当庞大。Saber应用的主要困难是操作较为复杂，软
12、件价格高昂，比较适合于大企业应用，中小企业一般是通过委托研究、开发来利用该软件。3.3Matlab仿真工具包Simulink目前，大型科学计算与仿真软件Matlab已经配备了电力系统工具包（powersystemblockset）,这使得Matlab可以用于电力电子仿真。powerSystem的仿真是基于Matlab的Simulink图形环境，因而使用起来与PSpice一样方便。Simulink是Matlab软件包中最重要的功能模块之一,是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。在电力电子领域,通常利用Simulink建立电力电子装置的简化模型（如基频模型）并连接成系统,即可直接进行控制器的
13、设计和仿真。Simulink对C语言代码提供了很好的支持,而且既可以工作在交互式图形环境下，也可以工作在Matlab指令语言模式的批处理模式下Matlab是基于理想化功率元器件和功能模块的仿真工具。Matlab的强大数学运算功能，使得PowerSystem的控制功能非常卓越，尤其是利用其他相关的工具包，电路可以实现极为细致控制而不需花费很大的精力。使用Matlab的另外好处是：其数据处理十分有效、精细，运行速度较快；其数据的格式兼容性十分好，便于数据的后处理与分析，尤其是控制特性的研究分析。缺点在于目前的PowerSystem是基于一般电路元件的模型以及数学模块（例如传递函数）来进行仿真的，与
14、实际元件的参数有差别，仿真的结果与实际电路有一定距离，其结果的参考意义主要体现在电路的总体与系统上。其中的开关和控制单元大量使用了理想元件，其中的开关控制器只要直接与开关相连即可，不用考虑电平移动。基本忽略了对实际开关的暂态过程描述。由于忽略了开关的杂散参数，使得电路的数据处理量大为减少，运算速度明显提高。此外，PowerSystem对计算机的内存要求较高，仿真过程容易因存储而溢出中断。34其他仿真软件应用比较普遍并曾对开关工作电路与系统仿真产生影响的软件主要有如下几种：美国加州大学创建的原始电路模拟软件CANCER，电子线路分析软件ECAP，美国加州理工学院研制开发并已获得广泛应用的软件SC
15、AP，另外，还有电力系统瞬态分析工具EMTP，功率变换器和电气传动仿真工具ATP，电力电子闭环系统分析工具PENCAN，电力电子电路仿真工具PSIM等软件也在一定范围内使用。当前为电源界实际应用的软件还有：ICAP软件，它是由Spice发展形成的一种电路分析软件，在Windows下可以以电路或图形的方式输入，自然转成仿真所需信息进行仿真。SIMNON软件，它是命令驱动的交互式程序，可以对微分方程、结构图模拟以及数字系统进行仿真分析，这时电力电子器件一般按理想开关进行系统仿真。另外，EWB（电子工作室）软件也是学习电力电子知识时较受欢迎的软件。因为它提供了模拟和数字电子电路的虚拟实验环境，有和真
16、实实验时一致的可视化界面，含有许多电子元器件模型，也允许自行扩充器件库甚至输出量与流行的PCB设计软件（如Protel、ORCAD等）连起来，可以布线制版。因此这种软件在高等学校实验教学中应用较普遍。4 仿真软件的应用电力电子电路仿真软件在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了仿真软件课程。主要是让学生了解仿真的基本概念和基本原理，掌握逻辑综合的理论和算法、使用仿真软件进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具PSpice和Matlab等，为今后工作打下基础。科研方面主要利用电路仿真工具（Matlab或PSpice或saber）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLDFPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和AsIC设计等。在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的仿
