wangyan作者： 颜红 王艳春
来源：《科技资讯》 2012年第28期
颜红 王艳春
(蚌埠学院 安徽蚌埠 233030)
摘 要:在电力电子技术的仿真过程中,采用Saber仿真软件可以使教学过程更为生动直观。本文首先阐述了采用Saber仿真软件进行辅助教学的必要性,然后通过对仿真波形的分析,逐步对Buck降压电路的结构进行推导,教学过程生动直观,对教学质量的提高有明显的促进作用。
关键词:Saber Buck 仿真
中图分类号:G43文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)10(a)-0195-02
《电力电子技术》是电气类学生普遍反映比较难的一门课程,其原因主要在于:一方面电路拓扑结构较多且复杂;另一方面是由于器件工作状态不断变化,导致电路工作状态较多,使得电路工作波形复杂,学生理解起
来较为困难。课件的引入,再加上动画演示,能够帮助学生理解各工作状态的波形,但是在教学过程中仍然显得过于理论化,与实践相脱节,很难达到理想的教学效果。引入仿真软件教学后,教师可以在仿真中一边搭建电路,一边针对电路的构成进行讲解,并对各项参数进行修改,仿真后让学生观察工作波形的变化情况,学生对各项参数设计的理解将更为深刻。同时,学生参与到仿真分析中,增加了教学的互动性,同时提高了学生学习的积极性[1]。
Saber是1987年由Analogy公司推出的一款仿真软件,到现在已有二十多年的历史[2]。它主要用于混合信号和混合技术领域的仿真验证,主要分为三个部分:SaberGu
ide、SaberSketch和SaberScope。SaberSketch主要用于绘制电路图,而SaberGuide用于仿真控制,仿真结果可在SaberScope查看。与其他仿真软件相比,Saber具有以下特点:(1)器件库丰富。它包含了各种元器件的理想模型,以及各大公司生产的常用芯片模型。(2)分析功能全面。它既包含了DC工作点分析、时域分析、频域分析等基本分析功能,还包含温度、参数灵敏度、蒙特卡诺、噪声等各种高级分析功能。(3)数据处理能力强大。可以自由的对仿真结果数据进行各种分析和比较乃至运算。因此Saber仿真软件在电力电子仿真中应用非常广泛,将其与电力电子技术教学相结合,将更有助于加强学生对电路工作原理的理解。
1 采用Saber仿真软件教学的必要性
直流变换电路与电力电子技术中其他变换电路相比,结构相对简单,可以作为电力电子技术的入门教学部分。与在模拟电子技术中所学的线性电源不同,电力电子技术中的直流变换电路采用电力电子器件作为开关管使用,电路分为开关管开通和关断两种状态,同时电路采用电感、电容作为滤波或者能量缓冲元件。多种工作状态,以及元器件的多种功能,使得直流变换电路虽然较为简单,但是对于学生来讲,入门分析却较为复杂。Buck变换器即降压变换器,是直流变换电路中最简单的一种,其电路中所用到的元器件在其他更为复杂的电路中也有相同的应用,因此Buck变换器是研究直流变换电路的基础。采用Saber仿真软件逐步对Buck电路结构进行推导,可以加强理解各元器件所起的作用,掌握分析其工作原理的方法,为相关电路的进一步分析打下基础。
另外,在电力电子系统设计的过程中,将设计后的技术指标与数据搭建成仿真电路,由于和实际电路参数一致,其得出的仿真结果与实际电路运行结果基本一致,因此仿真软件经常用来验证设计是否正确,以避免重复实验所造成的浪费,所以目前在电力电子行业中,无论是设计还是研发,都要用到仿真软件进行辅助设计。从这方面考虑,在电力电子技术教学中加入仿真软件的教学,可以加强学生理论和实践相结合的能力,提高学生进入社会后的竞争力。
2 基于Saber的Buck电路结构推导
要实现直流降压变换,最简单的方式莫过于在电路中加入开关管,通过对开关管的周期性控制,来减少电
源输送到负载的能量,从而使输出电压的平均值降低[3]。仿真电路如图1(a)所示,电源电压为DC24V,开关管驱动波形周期为T=20μs,占空比D=0.5,即开关管每个周期导通时间ton=10μs。仿真结果如图2(a)所示,显然输出电压Vo的波形与驱动波形相似,为矩形波,其平均值为12V。这种矩形波虽然是直流电压,但是含有大量的交流分量,不适合用于对电压纹波要求较高的场合,因此为减小纹波必须加入滤波器。一般针对电压纹波,可采用电容器进行滤波。我们在仿真电路中的负载上并上470μF的电容,如图1(b)所示,仿真后的波形如图2(b)所示,显然输出电压的交流分量被滤除,只剩下直流分量,近似于恒定的直流电压,其大小为原波形的平均值Vo=DVin=12V。但是,由于输入电压与输出电压不相等,开关管的通断必然引起电容上电压的突变,导致电容产生很大的充放电流,引起电流尖峰。由仿真结果可以看出,开关管上的电流尖峰为输出电流的5倍以上,很容易导致开关管的损坏。为了抑制电流尖峰,保护开关管,可以考虑在电路中串入能够抑制电流变化的电感元件。我们在仿真电路的开关管上串入100μH的电感,如图1(c)所示。仿真后的波形如图2(c)所示,可以看出电路中的电流尖峰减小到了开关管可承受的范围。但这样,电路是否就能正常工作了呢,我们观察开关管DS两端的电压可以发现,它大大超过了开关管的耐压值。其原因是串入电感后,由于开关管的通断,造成流过电感的电流突变,电感的感应电压与输入电压相叠加后加在开关管DS两端,造成电压尖峰,开关管瞬间击穿损坏。然而此时不能再并入电容对电压尖峰进行抑制,否则会循环产生电流尖峰,因此在开关管关断时,必须为电感电流提供续流路径,而在开关管开通时此路径必须关断,即该路径必须具有单向导电性,由此,我们可以选择并入二极管,并且方向为阴极朝上。修改后的仿真电路如图1(d)所示,这就是Buck变换器完整的电路结构。电路的工作波形如图2(d)所示,电路正常工作。通过以上的分析可以得出主要元器件的作用。
开关管主要用来控制能量的输送,开关管在一个周期内开通时间越长,负载得到的能量越多,输出电压越高,反之则输出电压越低。
电容主要用于滤波,保证输出电压的平稳。
电感用于缓冲能量,抑制电容产生的电流尖峰。
二极管为电感电流提供续流通路。
另外,若需进一步抑制开关管和二极管上的电压尖峰,可以继续引入RCD缓冲电路的教学。
以上的仿真实例可以清楚的演示出Buck电路的推导过程,通过对工作波形的分析,逐步加入所需的元器件,有效的加强了学生对各元器件功能以及电路工作原理的理解。
3 结语
通过教学实践,我们可以发现,在电力电子技术教学过程中采用Saber仿真软件,对电路结构进行逐步推导,能够使分析过程更为直观,其工作波形的变化使各元器件的作用一目了然,教学过程更为形象有趣,学生的学习和参与的积极性被充分调动起来,在学习的过程中学生也能主动设计电路,加强了理论和实践相结合的能力,为以后的学习和工作打下坚实的基础。
参考文献
[1] 王红梅,黄华飞,唐春霞.Saber仿真在电力电子教学中的应用[J].装备制造技术,2007(1):80-82.
[2] 丘东元,眭永明，王学梅,等.基于Saber的“电力电子技术”仿真教学研究[J].电气电子教学学报,2011,33(2):81-84.
[3] 张兴,黄海宏.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2010.
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