Saber仿真技術在電力電子教學中的應用

周 凱,吳曉剛,那日沙,劉端增

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院,黑龍江哈爾濱 150080)

Saber仿真技術在電力電子教學中的應用

周 凱,吳曉剛,那日沙,劉端增

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院,黑龍江哈爾濱 150080)

將Saber仿真技術應用于電力電子技術課程的教學中,通過同步整流反激變換器實例,介紹了利用Saber軟件建模、進行參數設計及仿真分析的過程。仿真實驗得到的觸發脈沖、輸出電流和輸出電壓結果與同步整流管驅動電路的原理分析一致。應用Saber軟件可使電力電子技術的原理與概念形象化,將原理性內容更直觀的展示出來,學生對其理解程度也會更加深入。

反激變換器;電力電子技術;課程改革;Saber;

電力電子技術是由多學科交叉而成的,是目前發展非常迅速的一門技術,與電相關的行業都離不開電力電子技術的支持。隨著新型半導體元器件的不斷出現以及技術的不斷更新,現有電力電子技術的教學模式已不能滿足大專院校的授課需要。教師應在傳統教學的基礎上不斷創新,充分利用多種教學手段,使學生不但了解電力電子技術的原理,更應熟知電力電子元器件的使用方法。在教學中引入仿真演示環節,將復雜的電力電子系統動態呈現,可對電力電子技術理論作進一步驗證[1-2]。

本文結合同步整流技術中反激變換器的具體教學實例,介紹Saber仿真技術在電力電子教學中應用的具體方法。

1 Saber軟件簡介

Saber是由Synopsys公司研發的系統仿真軟件,是全球先進的系統仿真軟件之一,也是多技術、多領域的系統仿真產品,現已成為混合信號、混合技術設計和驗證工具的業界標準,可用于電子、電力電子、機電一體化、機械、光電、光學、控制等不同類型系統構成的混合系統仿真。Saber作為混合仿真系統,可以兼容模擬、數字、控制量的混合仿真,便于在不同層面上分析和解決問題,其他仿真軟件不具備這樣的功能。

Saber軟件集成度高,從調用畫圖程序到仿真模擬,可以在同一個環境中完成,不用四處切換工作環境,并且擁有完整的圖形查看功能,可進行偏置點分析、DC分析、AC分析、瞬態分析、溫度分析、參數分析、傅里葉分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、應力分析、失真分析等。

Saber仿真軟件擁有龐大的數據庫,使用也比較簡單。在電力電子技術教學中引入仿真環節,有助于學生對電路的學習和理解[3-7]。

2 教學實例

反激變換器具有結構簡單、前后級電壓隔離、成本低、空間要求少等諸多優點,在小功率開關電源中應用極為廣泛,但缺點是在輸出電壓較低時輸出電流較大,傳統的反激變換器效率比較低。其效率低的原因在于次級整流二極管通態損耗和反向恢復損耗較大。將同步整流技術引入反激變換器中,用通態電阻極低的功率MOSFET來替代整流二極管,能夠大幅度提高反激變換器效率[8-10]。

2.1 同步整流反激變換器的工作原理

用理想開關代替反激變換器次級的整流二極管,即可構成同步整流反激變換器,其基本拓撲結構如圖1所示。

圖1 同步整流反激變換器的基本拓撲圖

若要實現反激變換器的同步整流,初級開關管與次級同步整流管必須交替導通,即兩管的導通不能存在重疊時間。當初級開關管導通時,變壓器儲存能量,此時同步整流管關斷;當初級開關管關斷時,變壓器將存儲的能量傳遞到負載,此時同步整流管導通,驅動信號時序如圖1所示。在實際電路中,為了避免兩管同時導通,在兩管導通與關斷時刻之間應有一定的時間延遲。

2.2 同步整流反激變換器的仿真模型

圖2為同步整流反激變換器電路,設計技術指標為:

輸入電壓Ui:100～375 V(DC);

輸出電壓Uo:12 V;

開關頻率:100 k Hz;

占空比:40%;

工作方式:連續。

同步整流管驅動電路中各元件的功能如下。

SR為同步整流管(理想開關),用來代替傳統電路中的整流二極管。

需要考慮在能量傳輸過程中變壓器漏感所產生的影響,漏感中的能量不能傳遞到次級,而將其轉移到電容Cc中,通過Rc消耗掉。

T2為電流互感器,用來檢測通過同步整流管的電流。當有電流流過時,則在電流互感器二次側感應出電流。

R1用來將電流互感器感應出的電流信號轉變為電壓信號。

C1和二極管VD用來對電流互感器二次側的電壓進行濾波和箝位。

偏置電阻R2、下拉電阻R3和三極管Q1構成開關電路,利用Q1的飽和截止,實現同步整流管SR的導通與關斷。

Q2和Q3構成圖騰柱輸出電路以提供足夠大的電流,使同步整流管的驅動電壓迅速上升到所需值,保證同步整流管快速開通,同時為同步整流管關斷時提供反向抽取電流回路,加速其關斷。

2.3 仿真參數的設置

設置瞬態分析仿真器需要注意的是,由于電路復雜且開關頻率較高,因此電路仿真的速度較慢。如果仿真器長時間處于運行狀態,可通過單擊窗口中的stop按鍵來終止仿真進程,此時CosmosScope示波器窗口也會自動彈出,不會影響仿真結果,只是顯示的時間軸長短不同。為了順利地完成仿真,對瞬態分析仿真器做如下設置:

終止時間(end time):60 ms;

步長(time step):1μs;

運行靜態工作點分析(run DC analysis first):yes;

分析后繪制曲線(plot after analysis):yes-open only;

管腳處波形(waveforms at pins):across and through variables。

2.4 仿真結果分析

基于上述仿真參數設置,對同步整流反激變換器進行了仿真[11-13]。分別對兩個晶體管的觸發脈沖、輸出電流和輸出電壓進行觀測,仿真結果如圖3所示。為了便于分析,圖3只截取了仿真過程中某一段時間內的波形。

仿真結果與2.1節對同步整流反激變換器的工作原理分析一致,同時仿真結果證明,該驅動電路可以很好地實現同步整流功能。

3 結束語

通過一個學期的教學實踐證明,采用板書與多媒體教學并用的方法,教學效果遠勝于傳統單一用板書教學的方法,學生的聽課興趣提高,對于原理性知識的掌握也更加透徹。通過仿真演示,學生能夠建立起系統的概念,并將理論與實際很好地聯系起來,能夠由點到面地分析與解決問題。

圖2 同步整流反激變換器仿真電路

圖3 仿真結果波形圖

References)

[1]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.

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[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.

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[12]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.

[13]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.

Application of Saber simulation software in teaching of Power Electronics

Zhou Kai,Wu Xiaogang,Na Risha,Liu Duanzeng
(Collage of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

The Saber simulation technology can be applied to the teaching of Power Electronic course.This paper introduces the software modeling,analysis,parameter design and simulation process by using the synchronous rectification flyback converter.The trigger pulse,output current and output voltage data caused by the simulation experiment are in accordance with the principle of synchronous rectifier circuit.The application of Saber software makes the principles and concepts of power electronics technology visualized and displays original rational content more intuitive which can enhance the student’s comprehension of power electronics technology.

flyback converter;power electronics technology;curriculum reform;Saber;

G421

A

1002-4956(2015)4-0127-03

2014-09-25修改日期：2015-01-20

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