电力电子开关仿真模型的处理.doc

电力电子开关器件仿真模型的处理丁国臣 姜玉红 邵红（海军航空工程学院青岛分院电子系 青岛 266041）【摘 要】电力电子电路的开关器件是一种非线性时变元件，这就给电力电子电路的仿真带来麻烦，因此电力电子电路仿真的关键是如何处理好开关器件在仿真模型中的描述问题。电力电子电路的仿真可借用很多专用仿真软件来进行，但不同仿真软件的特点是不一样的，本文重点讨论了Orcad/Pspice、MATLAB_SIMULINK等在电力电子电路中应用比较多的软件。【关键词】开关器件 仿真 模型 Orcad/Pspice MATLAB_SIMULINK一、引言通过对电力电子电路的仿真可以验证电路原理的正确与否、检查设计性能的好坏以及试验极限条件下的特殊情况等，从而达到减少研发费用、缩短设计时间及提高设计可靠性的目的。电力电子电路的仿真主要有实时仿真、动态仿真以及CAA。所谓实时仿真，就是在计算机上逼真的再现实际电力电子电路的运行过程；所谓动态仿真，就是在计算机上计算并绘制出电力电子电路的运行波形；而CAA就是指在计算机上计算并绘制出电力电子电路的某些特性。电力电子电路的开关器件是一种非线性时变元件，这就使得电力电子电路难以直接用线性时不变方程描述，从而给仿真带来麻烦，因此电力电子电路仿真的关键是如何处理好开关器件在仿真模型中的描述问题。目前，电力电子电路的仿真可借用很多专用仿真软件来进行，但不同仿真软件的特点是不一样的，能够应用的仿真模型也不一样，因此在仿真前，我们应要仔细分析仿真的目的，从而有针对性的建立模型和选择仿真软件。二、开关器件的模型处理按照仿真的目的，一般情况下可将电力电子电路的仿真模型分成三类，即精确模型、准精确模型以及平均模型。精确模型是指元件级仿真用模型，其优点是能反映电路运行中的细节问题，但模型建立复杂，仿真运行速度慢，软件运算的收敛性容易出问题；准精确模型是指系统级仿真用模型，其模型建立相对简单，仿真速度快；平均模型是指系统级仿真和辅助分析用模型，其模型建立简单，仿真速度极快。对电力电子电路的开关器件的建模基本上也存在这三种情况，概括起来主要有以下几种处理方式。（一）RLC构成的精确模型如果用一组可变参数的电阻、电容以及电感所组成的网络来精确模拟电力电子开关的开关过程，且能够很好的模拟开关器件的上升、下降时间，通态压降，关断漏电流等参数，就可对电力电子电路运行时微秒级以下的瞬态特性进行仿真，Pspice软件就可以形成此元件级模型。（二）准精确模型1R构成的准精确模型如果用一个较小的电阻作为开关导通时的模型，用一个较大的电阻作为开关关断时的模型，对电力电子电路的仿真就会简化很多。这样的处理使电力电子电路仿真中对微秒级以下瞬态过程的分析就不够精确，但对毫秒级瞬态过程的分析还是足够精确的，如果不需要分析开关器件开关过程的损耗、开关过程引起的尖峰等问题，就可以用这种开关模型简化仿真过程，减少运算量。2分段线性化建立的准精确模型对于一个包括开关器件的动态系统来说，假定开关的开关过程是瞬时完成的，则每一个开关状态将对应一个固定的拓扑，即一个线性的时不变系统，因此就可以分别建立相应的线性状态方程。这样我们就将一个非线性的时变系统变成了一系列在时间系列上分段线性化的线性时不变系统，如图1所示。图1 非线性的时变系统转化为线性时不变系统这样处理就可以利用我们所熟知的线性系统的求解方法来进行求解。即把一个具有一定时间序列的j个开关状态的电力电子设备，列出k个开关周期中各开关状态对应的状态方程组：其中Tk，j表示第K个开关周期中的第j个状态的转换时刻。状态变量X为动态元件如电容上的电压和电感中的电流，如前所述由于状态是连续的，所以第j个状态的终值将成为第j+1个状态初值。得出了上面的几组状态方程之后，就可通过迭代的方法逐点求解电路的状态，其中每个状态的最后一个解就是下一个状态的初始值。采用上述方法进行仿真计算时，由于假定开关的开关过程是瞬时完成的，所以其实用范围一般不能用于分析开关器件的开关特性及由此引起的问题。3改进的准精确模型假定开关过程是瞬时完成，如果将开关器件的状态转换所引起的系统变化用状态方程的输入量变化来表示，并且有开关状态变化时下面的状态方程中A、B、C、D都不会发生变化，只有u*发生变化，则仿真中只需在适当的时候改变u*，其他时候状态方程中把u*看成是常数就可求解。此方法由于假定了开关过程是瞬时完成，从而难以用于分析开关器件的瞬态特性，但是分析系统稳态特性和大信号特性时的却非常有用，对建模水平的要求也高一些。（三）平均模型前面所用方法虽然可以解决物理对象到仿真模型的转换问题，但是这些处理方法都无法给出系统的解析模型，从而使电力电子电路的一些控制特性的分析和仿真变得困难，如果使用状态空间平均方法，当状态空间平均模型是非线性和时变的时，用交流小信号线性模型和直流模型替代他。这样就可以得到电力电子开关的近似解析模型即平均模型。三、含开关器件的电力电子电路仿真方法简介在电力电子电路的仿真中，目前还没有一种仿真软件和方法可以完全替代所有的试验，不同的方法和软件有不同的特点和针对性，因此必须对各种方法的特点有所了解，了解各种建模仿真方法的性质和局限性，并对这些局限性对仿真结果可信度的影响有深入了解。需要指出的是，目前仿真软件的发展是非常迅速的，过去侧重于一个方面性能的软件，都在想办法弥补其不足，使其功能更强大，使用面更宽。在电力电子电路的仿真中应用比较多的软件主要有Orcad/Pspice、MATLAB_SIMULINK、EDA，Multisim2001、EWB、Saber等。下面仅以MATLAB_SIMULINK和Orcad/Pspice软件为例简要介绍一下含开关器件的电力电子电路的仿真。（一）MATLAB_SIMULINK仿真电力电子电路1MATLAB_SIMULINK简介MATLAB_SIMULINK环境是1992年Moler博士与一批软件专家所推出的交互式模型输入与仿真环境，由于MATLAB提供了强大的矩阵处理和绘图功能，很多专家在自己擅长的领域编了一些特殊的工具箱，更加推动了MATLAB应用范围的扩大。使用MATLAB进行电力电子电路的仿真可满足大部分的目标要求，且简单、方便，电力电子方面的工具箱功能也越来越强大，因此MATLAB_SIMULINK已成为电力电子电路仿真的重要工具。2开环逆变电源的仿真图2是开环逆变电源的电路原理图，图中滤波电感L与滤波电容C构成低通滤波器，r是考虑滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关管导通压降、线路电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻。Ud为直流母线电压，u1为逆变桥输出电压，u0为逆变器输出电压，i1为流过滤波电感的电流。i0代表负载电流，可以把它看作是系统的一个外部扰动输入量，这样处理的好处是既符合逆变器负载多种多样的实际情况，又可以建立一个形式简单且不依赖具体负载类型的逆变器数学模型。图2 开环逆变电源假设功率开关管是理想器件，选择电容电压u0和电感电流i1作为状态变量，可得滤波器的状态空间表达式如下：式中，u1*为逆变桥输出、滤波器输入电压，i0为负载电流。对于半桥电路，逆变桥输出u1*是Ud/2或 - Ud/2；对全桥电路，逆变桥输出u1*是Ud或 Ud。开环逆变电源仿真模型如图3所示。图3 开环逆变电源仿真模型（二）Orcad/Pspice仿真电力电子电路图4 buck变换器1Orcad/Pspice介绍1998年Orcad公司与开发Pspice软件的Microsim公司实现了强强联合，推出了最新版本Orcad/Pspice9，不仅大大丰富和完善了模拟电路的分析功能，也进一步增强了数字电路、数/模混合电路的分析功能。2buck变换器的仿真buck变换器如图4所示，采用Orcad9.1进行仿真，其模型如图5所示。图5 buck变换器的仿真模型四、结束语本文对电力电子电路中开关器件的仿真模型作了一个较为全面的分析和介绍，给出了各种模型的仿真原理，并对不同的模型做了比较和说明，最后还介绍了比较典型的仿真软件，希望能为广大读者的研究工作起到抛砖引玉的作用。参考文献：1电力电子学第二版，陈坚，高等教育出版社，2004.12；2MATLAB7.x系统建模与仿真，张亮等，人民邮电出版社，2006.11；3模拟电路的计算机分析与设计Pspice程序应用，高文焕、汪蕙，清华大学出版社，1999.01；4MATLAB宝典，陈杰，电子工业出版社，2007.01。