Saber在電力電子技術仿真中的應用

周 凱，那日沙，王旭東

（哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080）

Saber在電力電子技術仿真中的應用

周 凱，那日沙，王旭東

（哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080）

在電力電子技術課程教學中引入仿真環節，能夠有效提高教學質量。相對于變流電路的原理性知識而言，電力電子技術課程教學的重點更應傾向于對功率元件門極特性的分析和門極驅動電路的使用方面。該文通過實例，著重研究Saber軟件在功率元件驅動控制教學中的應用，包括軟件建模、參數設計以及仿真分析的過程。應用Saber軟件可使原理與概念形象化，加深學生對電力電子技術的理解，有效提高教學質量。

電力電子技術；Saber；門極驅動

1 Saber軟件概述

電力電子技術課程包含多個學科的知識，已成為高校電氣工程及其自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養本專業人才中占有重要地位。電力電子技術課程涵蓋了大量的功率元件描述、電路原理及波形分析。如果教師在該課程教學中充分利用多媒體資源，引入仿真演示環節，將使學生對電力電子功率元件的使用和對電路原理的分析有更直觀的了解［1－2］。

Saber是美國Synopsys公司的一款模擬及混合信號仿真軟件，可進行不同類型混合系統的仿真，用于電力電子、電機學、機械等課程實驗教學。

Saber包括Sketch、Simulator、Cosmos Scope，可用來完成多層次設計、電路仿真模擬、仿真測試與波形顯示等功能，其器件庫包含多種電力電子器件模型，同時還提供一定數量的集成電路芯片。在實際應用中，Saber的模型庫中的模型是有限的，無法為用戶提供全部或最新的集成電路模型，因此，有時需要利用MAST語言來完成一定的硬件設計。MAST語言建模實際上是用線性（或非線性）代數、微分方程（組）來描述對象的特征。有些IC生產廠商為了使用戶更好地了解其產品特性，在網站上發布了一些基于Saber軟件的模型可供下載使用，這為系統仿真提供了極大的便利。

在仿真過程中可以對模型進行多種類型的分析，其中比較常用的是DC分析、AC分析、傅里葉分析、瞬態分析，仿真分析結束后可以在Cosmos Scope中觀測各節點信號波形。

Saber仿真軟件具有廣泛的應用領域，軟件的使用也比較簡單，將此工具與電力電子技術課程教學結合，有助于學生掌握理論知識、提高實踐能力［3－4］。

2 在教學中引入仿真工具的目的

在電力電子技術課程教學過程中，會涉及到許多使用功率元件的電路。為了達到理想的教學效果，通常要將功率元件理想化，將其等效為理想的開關，而理想開關的驅動信號又往往來自理想的脈沖電壓源。這種教學方法雖然能夠從理想的角度闡述電路原理，且學生也愿意從這個角度去理解問題，但在這個過程中忽略了一個重要問題，即在任何情況下功率元件都不是理想的，功率元件的驅動問題在某些情況下要比電路本身的工作原理更重要。因此，課程教學必須理論與實際相結合。

在課程中引入仿真實驗輔助教學可以達到以下的目的：

（1）加強對重點、難點問題的闡述；

（2）學生掌握理論知識更加深入；

（3）更直觀地對電路或元件進行波形分析和原理驗證；

（4）提高學生實踐能力。

3 教學實例——IGBT半橋驅動電路仿真

3．1 IGBT柵極特性

IGBT（insulated gate bipolar transistor，絕緣柵雙極晶體管）的柵極與發射極之間有一層氧化膜進行隔離，氧化膜的擊穿電壓大約為20～30V，IGBT失效的常見原因之一就是柵極被擊穿。由于IGBT的極間存在著分布電容Cge和Cgc，導線中又存在有分布電感Le，使得IGBT的實際驅動波形與理想驅動波形略有差異［5］。

柵極電阻Rg的選取也會對柵極驅動信號產生影響。柵極電阻可實現以下幾個功能：（1）消除柵極振蕩；（2）轉移驅動器的功率損耗；（3）調節功率開關器件的通斷速度［6］。不同型號的IGBT，柵極電阻的選擇也會有一些差異，一般選取原則如表1所示（可參閱相關數據手冊）。

表1 IGBT柵極電阻Rg選取的一般原則

柵極電阻選擇不當可能出現以下問題。

（1）開關損耗增大。所選的柵極電阻值太大，會導致損耗過大，所以應減小柵極電阻值。

（2）產生過大的IGBT尖峰電壓。使用的關斷柵級電阻小，從而導致di／dt增大。應適當增大關斷柵級電阻值。

（3）柵極電阻過熱或燒毀。電阻的功耗和峰值功率能力不夠，需調整電阻功率。

（4）EMI噪聲。所用的柵極電阻非常小，導致du／dt或di）／dt變大，從而產生更多的EMI（electromagnetic interference，電磁干擾）。過高的柵極電阻值導致IGBT在開關期間在線性模式下運行時間過長，最終導致柵極振蕩［7－8］。

3．2 高壓懸浮驅動器IR2110

高壓懸浮驅動器半橋驅動電路模型如圖1所示。該電路具有自舉功能，與自舉功能相關的元件分別為自舉電容C1和二極管VD1，C2為電源的濾波電容，S1、S2為IGBT。

高壓側懸浮驅動的自舉原理如下。

假定在S1關斷期間C1完成充電，且近似為電源電壓。當芯片外部輸入管腳HIN為高電平時，C1兩端與S1的柵極和發射極并聯，C1通過內部MOSFET（VM1），柵極電阻（Rg1）和S1極間電容Cgc1放電，Cgc1被充電。在此過程中，自舉電容C1可視為電壓源。當外部輸入管腳HIN為低電平時，內部MOSFET（VM2）開通，VM1斷開，S1柵電荷經Rg1、VM2構成回路迅速釋放，S1關斷；當外部輸入管腳LIN為高電平時，S2開通，VCC經VD1，S2為C1充電，如此反復循環。

圖1 半橋驅動電路模型

3．3 自舉元件的選取

自舉二極管（VD1）和電容（C1）的選取需要進行嚴格的計算，在實驗過程中可能還要根據實際情況進行微調，才能使驅動器達到最佳的工作狀態。

在極短的時間內向柵極提供足夠的柵電荷才能使IGBT開通。假定在器件開通后，自舉電容C1兩端電壓高于器件充分導通所需要的電壓（10V），再假定在自舉電容充電路徑上有1．5V左右的壓降（包括二極管VD1的正向導通壓降），最后假定有一半的柵電壓（柵極閾值電壓UTH，通常3～5V）因漏電流引起電壓降。綜上所述，此時自舉電容的計算可用式（1）表示：

式中：Qg為柵電荷，Vcc為電源電壓。

若某型號IGBT完全導通所需柵電荷為Qg＝1．5 μC，Vcc＝15V，經計算可知，C1＝8．6μF，可取比計算值略大一些的電容，且耐壓值應高于25V。

同時，在選擇自舉電容大小時，還應綜合考慮前級驅動信號的頻率及占空比，即懸浮驅動的最寬導通時間tmax和最窄導通時間tmin。導通時間較長會影響窄脈沖的驅動性能，導通時間較短會影響寬脈沖的驅動要求。根據IGBT的門極特性、開關速度和工作頻率對導通時間進行設置，還需要在實際電路中進行調試才能確定［9－10］。

自舉二極管是另一個十分重要的自舉元件，它能夠對直流側的高壓進行阻斷，流過二極管的電流是柵極電荷與功率元件開關頻率之積，一般都在1A以下。為了減少電荷損失，應選擇反向漏電流小的快恢復二極管，如1N4933、MR820等。

需說明的是：柵極電阻的功率受IGBT柵極驅動功率P的影響，一般來說，柵極電阻的功率應為柵極驅動功率的2倍或更大。IGBT柵極驅動功率P的計算可用式（2）表示：

式中：f為工作頻率，U為輸出驅動電壓的峰值，Q為柵極電荷。

相關參數可參考IGBT數據手冊。常見的IGBT驅動器（如TX－KA101）輸出正電壓15V，負電壓－9 V，則U＝24V，若工作頻率取f＝10kHz，Q＝2．8 μC，可計算出P＝0．672W，柵極電阻應選取2W電阻。

3．4 IGBT半橋驅動電路仿真

IR2110半橋驅動電路仿真模型如圖2所示。IGBT的型號為APT35G60BN，查數據手冊可知，功率等級為600V／35A，柵極電荷Qg＝45nC，代入式（1）計算得：C1＝25．7nF，可選擇0．1μF的電容。

圖2 IR2110半橋驅動電路仿真模型

自舉二極管選擇MR810快恢復二極管，反向恢復時間0．75μs。

柵極電阻的選取則是根據表1的規則近似選取，Rg＝30Ω，仿真參數設置中可不考慮電阻的功率問題。

在做仿真時需要正確理解仿真所研究的對象，只有在參數取值合理的情況下，才能獲得理想的仿真結果，否則會出現仿真中斷、計算結果不收斂等提示。由于此電路結構較為復雜，仿真速度會較慢，因此需要對仿真結束時間進行調整［11－12］。

對瞬態分析仿真器做如下設置：

End Time：10m；

Time Step：1u；

Run DC Analysis First：Yes；

Plot After Analysis：Yes－Open Only；

Waveforms at Pins：Across and Through Variables。

單擊OK執行瞬態分析。這里分別對IGBT柵極驅動電壓與負載兩端電壓進行觀測，觀測結果如圖3所示。

由圖3可知，由于電路元件的計算及取值較為合理，IGBT柵極驅動信號基本為理想的脈沖信號，上橋臂驅動信號對“地”被舉升至48V，輸出節點測試波形為36V矩形波，與負載電源電壓等級一致。

圖3 半橋集成驅動電路IR2110仿真波形

4 結束語

在電力電子技術課程教學中引入Saber仿真實驗，使學生對理論知識的理解更加深入，尤其是對晶閘管、MOSFET和IGBT驅動電路的設計更加熟悉。在教學中部分課時采取教師講授、學生仿真的形式，增強了學生的實際動手能力。學生逐步掌握搭建與調試電路的技巧，使理論與實際更緊密地結合，使分析結果可視化，對提高教師教學質量和學生學習效率有極大的促進作用。

（References）

［1］楊浩東，王偉．電力電子教學中常用軟件對比［J］．中國電力教育，2012（3）：112－113．

［2］丘東元，眭永明，王雪梅，等．基于Saber的“電力電子技術”仿真教學研究［J］．電氣電子教學學報，2011，33（2）：81－84．

［3］王紅梅，黃華飛，唐春霞．Saber仿真在電力電子教學中的應用［J］．裝備制造技術，2007（1）：80－82．

［4］秦嶺，高寧宇，華亮，等．Saber仿真軟件在“電機學”教學中的應用［J］．電氣電子教學學報，2011，33（1）：64－66．

［5］吳勝華，張成勝，鐘炎平，等．高壓懸浮驅動器IR2110的原理和擴展應用［J］．電源技術應用，2002，5（7）：348－351．

［6］丁新平，馬淋淋．Saber仿真軟件在“電力電子技術”教學中的應用研究［J］．中國電力教育，2011（6）：53－56．

［7］顏紅，王艷春．Saber仿真在Buck電路結構推導教學中的應用［J］．科技咨詢，2012（28）：195－196．

［8］王余奎，趙徐成，常軍，等．基于Saber仿真的電源車勵磁調壓系統改進設計［J］．大功率變流技術，2011（3）：44－50．

［9］范立榮，孫豐濤，李輝．基于單相交錯式并聯PFC的Saber仿真應用研究［J］．通信電源技術，2014，31（1）：26－30．

［10］王建秋，劉文生．Saber仿真在移相全橋軟開關電源研發中的應用［J］．電力電子，2009（4）：30－33．

［11］黃志武，秦惠．SABER仿真在LLC諧振變換器開發與設計中的應用［J］．通信電源技術，2008（2）：74－80．

［12］謝華林，楊金明．基于SABER仿真器的雙管正激參數及控制環路的設計［J］．電源技術應用，2009，12（10）：8－11．

Application of Saber in power electronics simulation

Zhou Kai，Na Risha，Wang Xudong
（Collage of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

It is an effective teaching method by using simulation software to improve the teaching quantity in the Power Electronics course．The focus of the power electronic education should tend to analyze the gate characteristics of power components and to use gate driving circuit relative to the principle of converters．This paper mainly studies Saber software in the application of Power Component Driving and Control course．It introduces the software modeling，parameter design and analyzes the process of simulation through an instance．The application of Saber software not only makes the principles and concepts visualize，but also enhances the student’s comprehension of power electronics and improves the teaching quality．

power electronics；Saber；gate driving

G421

B

1002－4956（2015）3－0126－03

2014－07－19

黑龍江省青年科學基金項目（QC2012C126）；哈爾濱理工大學教學綜合改革項目（zhjg32015054018）

周凱（1982—），男，黑龍江哈爾濱，博士，副教授，主要從事汽車電子及測試技術的研究．

E－mail：zhoukai4564＠163．com