電力電子開關器件仿真模型的處理

摘 要:電力電子電路的開關器件是一種非線性時變元件，這就給電力電子電路的仿真帶來麻煩，因此電力電子電路仿真的關鍵是如何處理好開關器件在仿真模型中的描述問題。電力電子電路的仿真可借用很多專用仿真軟件來進行，但不同仿真軟件的特點是不一樣的，本文重點討論了Orcad/Pspice、MATLAB_SIMULINK等在電力電子電路中應用比較多的軟件。

關鍵詞:開關器件 仿真 模型 Orcad/Pspice MATLAB_SIMULINK

中圖分類號:TM421文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0088-02

1 引言

通過對電力電子電路的仿真可以驗證電路原理的正確與否、檢查設計性能的好壞以及試驗極限條件下的特殊情況等，從而達到減少研發費用、縮短設計時間及提高設計可靠性的目的。

電力電子電路的仿真主要有實時仿真、動態仿真以及CAA。所謂實時仿真，就是在計算機上逼真的再現實際電力電子電路的運行過程;所謂動態仿真，就是在計算機上計算并繪制出電力電子電路的運行波形;而CAA就是指在計算機上計算并繪制出電力電子電路的某些特性。

電力電子電路的開關器件是一種非線性時變元件，這就使得電力電子電路難以直接用線性時不變方程描述，從而給仿真帶來麻煩，因此電力電子電路仿真的關鍵是如何處理好開關器件在仿真模型中的描述問題。

目前，電力電子電路的仿真可借用很多專用仿真軟件來進行，但不同仿真軟件的特點是不一樣的，能夠應用的仿真模型也不一樣，因此在仿真前，我們應要仔細分析仿真的目的，從而有針對性的建立模型和選擇仿真軟件。

2 開關器件的模型處理

按照仿真的目的，一般情況下可將電力電子電路的仿真模型分成三類，即精確模型、準精確模型以及平均模型。

精確模型是指元件級仿真用模型，其優點是能反映電路運行中的細節問題，但模型建立復雜，仿真運行速度慢，軟件運算的收斂性容易出問題;準精確模型是指系統級仿真用模型，其模型建立相對簡單，仿真速度快;平均模型是指系統級仿真和輔助分析用模型，其模型建立簡單，仿真速度極快。

對電力電子電路的開關器件的建模基本上也存在這三種情況，概括起來主要有以下幾種處理方式。

2.1 RLC構成的精確模型

如果用一組可變參數的電阻、電容以及電感所組成的網絡來精確模擬電力電子開關的開關過程，且能夠很好的模擬開關器件的上升、下降時間，通態壓降，關斷漏電流等參數，就可對電力電子電路運行時微秒級以下的瞬態特性進行仿真，Pspice軟件就可以形成此元件級模型。

2.2 準精確模型

(1)R構成的準精確模型。

如果用一個較小的電阻作為開關導通時的模型，用一個較大的電阻作為開關關斷時的模型，對電力電子電路的仿真就會簡化很多。這樣的處理使電力電子電路仿真中對微秒級以下瞬態過程的分析就不夠精確，但對毫秒級瞬態過程的分析還是足夠精確的，如果不需要分析開關器件開關過程的損耗、開關過程引起的尖峰等問題，就可以用這種開關模型簡化仿真過程，減少運算量。

(2)分段線性化建立的準精確模型。

對于一個包括開關器件的動態系統來說，假定開關的開關過程是瞬時完成的，則每一個開關狀態將對應一個固定的拓撲，即一個線性的時不變系統，因此就可以分別建立相應的線性狀態方程。這樣我們就將一個非線性的時變系統變成了一系列在時間系列上分段線性化的線性時不變系統。

這樣處理就可以利用我們所熟知的線性系統的求解方法來進行求解。即把一個具有一定時間序列的j個開關狀態的電力電子設備，列出k個開關周期中各開關狀態對應的狀態方程組:

其中Tk，j表示第K個開關周期中的第j個狀態的轉換時刻。狀態變量X為動態元件如電容上的電壓和電感中的電流，如前所述由于狀態是連續的，所以第j個狀態的終值將成為第j+1個狀態初值。

得出了上面的幾組狀態方程之后，就可通過迭代的方法逐點求解電路的狀態，其中每個狀態的最后一個解就是下一個狀態的初始值。

采用上述方法進行仿真計算時，由于假定開關的開關過程是瞬時完成的，所以其實用范圍一般不能用于分析開關器件的開關特性及由此引起的問題。

(3)改進的準精確模型。

假定開關過程是瞬時完成，如果將開關器件的狀態轉換所引起的系統變化用狀態方程的輸入量變化來表示，并且有開關狀態變化時下面的狀態方程中A、B、C、D都不會發生變化，只有u*發生變化，則仿真中只需在適當的時候改變u*，其他時候狀態方程中把u*看成是常數就可求解。

此方法由于假定了開關過程是瞬時完成，從而難以用于分析開關器件的瞬態特性，但是分析系統穩態特性和大信號特性時的卻非常有用，對建模水平的要求也高一些。

2.3 平均模型

前面所用方法雖然可以解決物理對象到仿真模型的轉換問題，但是這些處理方法都無法給出系統的解析模型，從而使電力電子電路的一些控制特性的分析和仿真變得困難，如果使用狀態空間平均方法，當狀態空間平均模型是非線性和時變的時，用交流小信號線性模型和直流模型替代他。這樣就可以得到電力電子開關的近似解析模型——即平均模型。

3 含開關器件的電力電子電路仿真方法簡介

在電力電子電路的仿真中，目前還沒有一種仿真軟件和方法可以完全替代所有的試驗，不同的方法和軟件有不同的特點和針對性，因此必須對各種方法的特點有所了解，了解各種建模仿真方法的性質和局限性，并對這些局限性對仿真結果可信度的影響有深入了解。

需要指出的是，目前仿真軟件的發展是非常迅速的，過去側重于一個方面性能的軟件，都在想辦法彌補其不足，使其功能更強大，使用面更寬。在電力電子電路的仿真中應用比較多的軟件主要有Orcad/Pspice、MATLAB_SIMULINK、EDA，Multisim2001、EWB、Saber等。下面僅以MATLAB_SIMULINK和Orcad/Pspice軟件為例簡要介紹一下含開關器件的電力電子電路的仿真。

3.1 MATLAB_SIMULINK仿真電力電子電路

(1)MATLAB_SIMULINK簡介。

MATLAB_SIMULINK環境是1992年Moler博士與一批軟件專家所推出的交互式模型輸入與仿真環境，由于MATLAB提供了強大的矩陣處理和繪圖功能，很多專家在自己擅長的領域編了一些特殊的工具箱，更加推動了MATLAB應用范圍的擴大。使用MATLAB進行電力電子電路的仿真可滿足大部分的目標要求，且簡單、方便，電力電子方面的工具箱功能也越來越強大，因此MATLAB_SIMULINK已成為電力電子電路仿真的重要工具。

(2)開環逆變電源的仿真。

開環逆變電源的電路原理圖，圖中濾波電感L與濾波電容C構成低通濾波器，r是考慮濾波電感L的等效串聯電阻、死區效應、開關管導通壓降、線路電阻等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻。Ud為直流母線電壓，u1為逆變橋輸出電壓，u0為逆變器輸出電壓，i1為流過濾波電感的電流。i0代表負載電流，可以把它看作是系統的一個外部擾動輸入量，這樣處理的好處是既符合逆變器負載多種多樣的實際情況，又可以建立一個形式簡單且不依賴具體負載類型的逆變器數學模型。

假設功率開關管是理想器件，選擇電容電壓u0和電感電流i1作為狀態變量，可得濾波器的狀態空間表達式如下:

式中，u1*為逆變橋輸出、濾波器輸入電壓，i0為負載電流。對于半橋電路，逆變橋輸出u1*是Ud/2或-Ud/2;對全橋電路，逆變橋輸出u1*是Ud或Ud。

開環逆變電源仿真模型如圖1所示。

3.2 Orcad/Pspice仿真電力電子電路

(1)Orcad/Pspice介紹。

1998年Orcad公司與開發Pspice軟件的Microsim公司實現了強強聯合，推出了最新版本Orcad/Pspice9，不僅大大豐富和完善了模擬電路的分析功能，也進一步增強了數字電路、數/模混合電路的分析功能。

(2)buck變換器的仿真。

buck變換器如圖2所示，采用Orcad9.1進行仿真，其模型如圖3所示。

4 結語

本文對電力電子電路中開關器件的仿真模型作了一個較為全面的分析和介紹，給出了各種模型的仿真原理，并對不同的模型做了比較和說明，最后還介紹了比較典型的仿真軟件，希望能為廣大讀者的研究工作起到拋磚引玉的作用。

參考文獻

[1]陳堅.電力電子學[M].高等教育出版社，2004.

[2]張亮等.MATLAB7.x系統建模與仿真[M].人民郵電出版社，2006.

[3]陳杰.MATLAB寶典[M].電子工業出版社，2007.