基于Plecs的電力電子電路熱-電仿真教學研究

唐圣學, 李占凱, 陳　麗

(河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室, 天津　300130)

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基于Plecs的電力電子電路熱-電仿真教學研究

唐圣學, 李占凱, 陳麗

(河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室, 天津300130)

提出基于Plecs平臺的主電路熱-電聯合建模仿真的輔助教學新方法,該方法采用熱路理論和Plecs熱量收集器概念搭建主電路熱-電仿真模型,其中熱路模型采用RC熱網絡模型,控制模型采用Simulink模型。以降壓斬波電路為例,說明基于Plecs平臺的仿真教學具有建模簡單、靈活、直觀的優點。所建模型能同時獲取主電路熱-電仿真結果,熱-電仿真能快速加深學生熱知識理解。

電力電子電路； 熱-電仿真模型； 教學研究；Plecs

1　關于電力電子電路的熱仿真

電力電子技術是一門多學科交叉的專業課程,內容涉及電力技術、電子技術、控制技術、熱設計技術等。在電力電子技術課程教學中,通常對主電路熱知識只做簡單介紹,不做深入講授。然而,在一些本科的創新和綜合性實驗和畢業課程設計中,以及研究生課程——高等電力電子技術課程中[1-3],熱知識,尤其是熱設計,是必須掌握、不開回避的知識點,且與工程實踐密切聯系[1]。快速、通俗地幫助學生掌握熱設計知識和技術具有重要意義。

目前,在主電路和控制環節的仿真理論教學和虛擬實驗教學方面,已能直觀、通俗地完成仿真實驗。很多高校在電力電子技術課程教學中引入系統級電力電子仿真軟件,例如Plecs、Saber、Multisim、Pspice、Matlab/Simulink、Psim等,都取得了較好的效果[4-9]。然而,目前仿真教學研究的內容主要針對的是電力電子技術教學中的主電路和控制環節的建模仿真問題,而涉及電力電子電路的熱仿真問題、熱-電聯合仿真問題的教學研究成果較少,且建模復雜、難以理解。例如:文獻[10]采用宏模型技術建立了一種新型的晶閘管PSpice電熱模型,包含熱模型和電模型,但是需要專業Spice理論建模技術,只適應于器件級仿真,不適合電路級、控制級的熱點聯合仿真及教學。

考慮到目前許多設備無法有效開展熱-電實驗,以及傳統電力電子技術教學中偏重主電路、控制技術而對熱-電教學重視不足,筆者提出將Plecs平臺應用于電力電子電路的熱-電知識教學中。在教學中,采用Plecs平臺的熱收集器HeatSink概念和熱路理論搭建主電路熱-電聯合仿真模型,使主電路的熱-電現象形象化、直觀化；深度結合Matlab/Simulink平臺,使調制控制以及波形處理能力得到提升。仿真模型設計靈活、操作簡單,有利于學生搭建復雜電路模型,實現創新思維的發揮；“熱、電、控”三位一體的聯合仿真教學也有助于增強學生對原理性知識的理解。

2　基于Plecs平臺的電力電子電路熱-電仿真

2.1可用于熱-電仿真的軟件比較分析

用于電力電子技術電路仿真的軟件可分為兩類。

一類是電路級的專業軟件,如Orcad/Pspice、Micro-Cap、Protell、Multisim、EMTP、Saber等通用的大眾化軟件[11],以及TI公司的TINA-spice軟件等由公司自己開發、針對自己產品的個性化軟件。這類軟件仿真精度高，但仿真速度慢,應用范圍側重于電子電路。將它們用于電力電子電路的仿真控制技術時難以實現,且靈活性差。

另一類是Psim、Matlab/Simulink等系統級仿真軟件[12]。這類軟件主要用于電路和控制系統的行為仿真,特點是靈活、速度較快,但精度低。

這兩類軟件在工程實踐中均得到了廣泛應用,也被廣泛應用于電力電子電路仿真教學中,但是應用于熱-電聯合仿真時存在概念不明確、建模復雜等問題。此外,采用有限元技術的三維熱-電聯合仿真軟件,如ANSYS,建模比較復雜且只能進行器件級仿真。

Plecs是一個可應用于多領域的系統級仿真軟件,其嵌入版實現了與Matlab/Simulink完全無縫嵌入,具有系統設計靈活、仿真速度快、穩定性好[4]、非常適合熱-電聯合仿真的特點。在熱-電聯合仿真中,Plecs引入了獨特的熱收集器HeatSink概念,以及采用類似于電路的熱路理論的建模方法,使電力電子技術的熱-電原理與概念形象化,使原理性內容更直觀地展示出來,使熱-電聯合建模更容易理解。

2.2Plecs平臺的熱路仿真原理

電力電子主電路的熱路模型常采用RC熱網絡模型,分為Cauer網絡和Foster網絡,如圖1所示。在圖1所示RC熱網絡模型中,P為熱源,類似于電路中的電流源；溫度T類似于電位,溫差△T類似于電壓。同理,熱阻Rth類似于電阻,熱容Cth類似于電容。Tj為功率器件結溫,Ta為環境溫度(類似于電路中的地電位)。Plecs引入熱收集器HeatSink,用于收集器件損耗功率,在RC熱網絡模型中類似于電路中的電流源,即熱源P,大小為熱收集器所涵蓋的所有器件損耗功率總和,其中器件損耗功率可通過查表法和模型計算法獲取。利用電路理論知識,容易獲取各點溫度和器件結溫。

圖1　RC熱網絡

為了實現上述熱路仿真,Plecs開發了相應的獨立Thermal模塊庫,其基本元件包括熱收集器HeatSink、熱阻ThermalResistor、熱容ThermalCapacitor、熱鏈ThermalChain、熱流儀表和熱流常數等模塊,這些模塊與圖1中熱阻熱容對應。利用這些熱元件和電路理論知識,學生很容易搭建各種熱路模型。

3　基于軟件Plecs的仿真教學實例

3.1降壓斬波電路

以降壓斬波(Buck)電路為例,說明Plecs平臺在熱-電聯合仿真教學中的應用。Buck電路是DC-DC變換器中的典型電路,也是教學重點。Buck電路如圖2所示,在電感電流連續情況下,電壓u0為

圖2　Buck電路

式中,ton為開通時間,toff為關斷時間,α為占空比。開關管(功率管V和二極管D)在導通期間和開關過程中產生損耗,損耗大小跟開關頻率、負載等有關。負載越大、開關頻率越高,開關管損耗越多,即發熱量越大。熱能通過熱路向外傳遞,導致溫度變化。為了保證電路能正常工作,需要保證器件結溫在安全工作范圍內。

3.2Buck電路Plecs熱-電聯合模型

圖3給出了Buck電路熱-電系統仿真模型,模型可分成兩部分:一部分是調制脈沖波生成、數據波形輸出處理以及仿真條件設置等,這部分采用Matlab/Simulink建模,可充分利用Matlab在控制和信號處理技術的優勢；另一部分為主電路及熱路部分,這部分采用Plecs完成,可充分利用Plecs在仿真速度、熱-電聯合建模方面的優勢。

圖3　Simulink平臺上Buck電路熱-電系統仿真模型整體圖

圖4給出了Plecs平臺上Buck熱-電子系統仿真模型,其中圖4(a)為發熱元件開關管和續流二極管集

成封裝的熱路模型,適用于開關管和二極管集成封裝的電路；圖4(b)為分立元件的開關管和二極管的熱路模型,其中開關管V的熱路模型由Plecs現有模塊ThermalChain構成,二極管D的熱路模型由分立熱阻和熱容元件搭建,功能與模塊ThermalChain相同。由圖4可見,Plecs平臺上熱路建模靈活、簡易、直觀。與其他軟件建模相比,Plecs不僅能對主電路建模,還能對熱路建模。

圖4　Plecs平臺上Buck電路熱-電子系統仿真模型

3.3仿真結果分析

圖5給出了發熱元件集成封裝的Buck電路仿真結果,其中圖5(a)為輸出電壓波形,圖5(b)為發熱器件結溫波形。由圖5可見,電路電壓響應具有較短的暫態過程,熱路結溫暫態過程較長,且集成封裝的開關管和二極管結溫相同。圖6給出了發熱元件分立器

件的Buck電路結溫仿真結果。對比圖6和圖5(b)可知,封裝或者散熱器不同,器件的結溫相差很大。集成封裝的功率器件結溫容易過高,超出容許范圍,導致器件燒壞。另外,由圖5可見,負載不同時結溫相差很大,通過改變負載設置,容易觀察到電路參數對器件結溫的影響。

圖5　集成封裝的Buck電路仿真結果

通過仿真可見,學生可以利用Plecs平臺靈活、容易、直觀地搭建電力電子電路的熱-電聯合仿真模型,可得到主電路、熱路模擬結果,可幫助學生理解不同電路負載、控制技術等對器件溫度的影響,從而為電力電子技術課程設計和后續相關課程的學習打下基礎。

4　結語

電力電子技術教學中熱-電現象因復雜、理解難度大而常被忽視。引入Plecs平臺進行主電路熱-電聯合建模仿真的輔助教學新方法取得了較好的教學效果。該方法具有建模簡單、靈活、直觀的優點。熱-電仿真有

圖6　分立器件結溫波形

助于電力電子主電路熱理論教學與仿真教學的聯系,有助于提高教學的生動性,加深學生對電力電子主電路熱-電知識的理解。

References)

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Thermal-electronicsimulationteachingofpowerelectroniccircuitbasedonPlecs

TangShengxue,LiZhankai,ChenLi

(Province-MinistryJointKeyLaboratoryofElectromagneticFieldandElectricalApparatusReliability,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Aimingtotheshortcomingofmaincircuitthermal-electronicteachinginpowerelectronictechnology,thispaperintroducesthethemal-electronicco-simulationmethodbasedonPlecsplatformforteachinginclassroom,whichcanmodelthetheoryofthermalcircuitandtheheatsinkconcepttoimprovethesimplicity,flexibilityandintuitivision.Themodelscanbeusedtoobtaintheresultsofthermalandelectroniccharacteristicsatthesametime,andthesimulationcanbeusedquicklytoboostthestudents’understandingofthermal-electronicknowledge.

powerelectroniccircuit;thermal-electronicsimulationmodel;teachingresearch;Plecs

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.030

2016-01-17修改日期：2016-03-02

河北省自然科學基金項目(E2015202263)資助；河北省高教學會高等教育科研課題(GJXH2015-276)資助

唐圣學(1976—),男,湖南藍山,博士,副教授,研究方向為電力電子技術及教學、智能電網.

E-mail：35762187@qq.com

TN710；TP391.9

A

1002-4956(2016)7-0126-03