基于PSpice的電力電子電路仿真

文 偉，原騰飛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

基于PSpice的電力電子電路仿真

文 偉，原騰飛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了PSpice的電力電子電路仿真設計，結合電路理論以及計算機技術，進行了電力電子電路器件的建模仿真。在PSpice電力電子電路的仿真分析過程中，結合建模的分類以及功率二極管模型的建立，盡可能的確定變壓器模型，并進行電壓電流仿真。基于PSpice的電力電子電路仿真過程，不僅優化了電子電路仿真的過程，而且能夠滿足不同的仿真需求。

PSpice 電力電子 電路 仿真

0 引言

如今，電力電子技術主要是結合功率半導體的開關對電功率流動進行控制，進而做好電能的變換性處理。電力電子系統的開關裝置，主要是電力電子器件構成的，結合模擬電路，形成一個非線性的數模混合系統。PSpice仿真軟件不同于其他仿真軟件，在電力電子電路的動態性仿真過程中，不僅有著一定的數字混合仿真功能，而且還能仿真模型庫的模擬過程。在模擬過程中，結合復雜電路的時域性分析，通過對電路的優化，同時確定狀態方程的模型結構，然后進行電路仿真。該軟件具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能，結合模擬電路的硬件模式，自動進行電路檢索。同時，PSpice仿真軟件允許用戶對參數進行修改使用，同時允許用戶結合狀態方程和拉普拉斯函數對模型進行創建，控制應用數學方程的基本模塊，具有較好的仿真效果，數據的處理也十分方便，仿真波形效果相對較好。伴隨著電力電子電路的發展，對于如何做好電力電子電路的仿真始終是人們高度重視的一個問題，本文對此進行了深入研究，具有一定的現實意義。

1 PSpice的基本構成和模擬功能

1.1 PSpice的基本構成

PSpice作為電力電路計算機輔助的一種電力電路模擬軟件，在電路硬件設計的過程，主要是做好電路的模擬設計。PSpice由6個基本模塊構成：電路原理圖編輯程序Schematics、電路仿真程序PSPICE A/D、激勵源編輯程序Stimulus Editor、模型參數提取程序Model Editor、輸出結果繪圖程序Prode、元件模型參數庫LIB。用戶通過對6個模塊的靈活使用，對電路進行參數設置，進行實現用戶的最優設計。

1.2 PSpice的模擬功能

PSpice在模擬直流電路功能的分析中，結合電路的直流工作點，在電容開路的時候，計算電路的節點；在電路直流小信號傳輸函數在電數的計算過程中，確定直流小信號工作的輸出電路，同時確定直流轉移性曲線的結果，進而確定小信號模型參數、幾何線性，分析頻域和噪聲，完成對電路的模擬仿真。

2 建模分類和仿真過程

2.1 建模分類

建模分類的過程，主要是結合計算機仿真的相關要求，在一定電壓電流的溫度范圍內，確定器件的參數物理量，實現問題的簡單化處理。基于計算機電路的分析過程，盡可能地優化電路模型，進而做好電路的優化設計，提供最優化的器件制造方案。物理模型主要是結合器件的輸入輸出控制，做好物理結構和拓撲參數的分析工作，在微分方程的解析階段，實現有限元以及有限差分的計算和分析。電學模型的確定，是從物理原理理念出發，其基本模型也是結合電子器件的基本物理規律，簡化模型的參數設計，做好子電路模型的參數分析。建模過程也存在數學模型，用戶通過結合器件的物理過程，實現抽象中的數學編程，進而結合自身的需求不斷完善模型的結構，實現軟件結構的優化。

2.2 仿真過程

制作新器件模型的時候，應將PSpice元器件的代號做好設計，結合 PSpice模型的通用子電路進行分析，在新建器件代號的確定階段，軟件將自動處理特殊的元器件。首先點擊“Edit Symbol”進行編輯，創建圖形界面代號語法規則，即做好語法的分析。然后在 Name中添加FILENAME，進行子電路元器件的制作、保存屬性，最后在原理圖中進行復選。注意子電路用方塊表示，在X-subckt中。對于子電路引用示意圖，如圖1所示。

變壓器的仿真過程，一般通過結合電壓互感器的方法得到波形。但是電感元器件的參數比較單一，有時候電量傳遞會無法合理準確實現，尤其在軟件的仿真中難以體現出效果。因此變壓器的仿真工作設計，就要結合變壓器和耦合電感的數據相關結構，結合子電路的基本形式，模擬實際使用中變壓器的工作情況，做好實際的仿真工作。在本文中，我們采用單端反激式開關電源變壓器進行電路仿真。單端反激式開關變壓器具有電壓、電氣隔離、耦合傳送能量等功能，其原理圖如圖2所示。

圖1 子電路引用示意圖

圖2 單端反激原理圖

首先，是在 PSpice軟件中進行電路圖的繪制，主要是通過電路原理圖編輯程序 Schematics模塊，確定變壓器的PSpice模型，將生成的文件放置在CADENCE的目錄下。然后通過模型參數提取程序Model Editor模塊確定子電路，通過輸出結果繪圖程序Prode模塊自動生成的文件完成子電路的設計，最后通過電路仿真程序 PSpice A/D模塊完成該變壓器的仿真。仿真過程的變壓器原副邊的電流情況如圖3所示，原副邊電壓情況如圖4所示。

圖3 仿真過程的變壓器原副邊電流

從仿真結果可以看出，原副邊電壓波形達到了預期的要求，表明單端反激式變壓器能很好地解決參數波動的問題，系統的穩定性較好，有著較好的能量傳遞效果，同時原副邊的電流變化也是隨著負載的改變具有比較穩定的變化，但是同時，我們通過對仿真軟件的觀察，發現電壓輸出波形并不是完全的理想化波形，具有少許不收斂性。這是因為PSpice軟件在進行電路分析時，都是將電路的各種參數通過方程組的方式進行運算。出現這種情況的時候，我們可以減小軟件對方程組的計算精度，根據實際需求修改VNTOL、ABSTOL、RELTOL等精度參數，減少軟件對方程組的計算頻率，解決上述不收斂問題。可以看出，PSpice軟件在電力電子電路仿真時，設計方便，而且可以及時地根據各種需求，進行模塊的選取、參數的修改，有效地進行試驗研究。

圖4 仿真過程的變壓器原副邊的電壓

3 結語

基于計算機技術的發展，各種計算機仿真技術也日漸成熟，現在用戶越來越注重仿真特性的傳達，電子電路的仿真參數的優化，同時要保證有著較高的精度和穩定性。從本文的仿真探討可以看出，基本PSpice的電力電子電路仿真過程，精度高、穩定性好、設計修改方法簡單。PSpice軟件采用其特有的算法，通過預先設計的應用模塊，很好地滿足了電力電子電路研究的要求。

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PSpice-based Simulation of Power Electronic Circuit

Wen Wei , Yuan Tengfei
( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper introduces the Pspice simulation of power electronic circuits. Combined with the circuit theory and computer technology, the modeling and Simulation of power electronic circuit device is done. In the process of Pspice power electronic circuit simulation, Combined with the classification of models and the establishment of power diode model, the model of transformer is determined, and the voltage and current are simulated. The PSpice-based simulation of power electronic circuit not only optimizes process of the power electronic circuits, but also meets the needs of different simulation.

PSpice; power electronics; circuit; simulation

TN710

A

：1003-4862（2017）02-0038-03

2016-08-12

文偉(1986-)，男，碩士研究生。研究方向：控制理論與控制工程。E-mail：newwen@163.com