电力电子电路仿真软件综述

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电力电子电路仿真软件综述Sum ms re a ry o

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张J升 .Z ha

山东理工大学电气与电子工程学院he昭

(淄博 2 5 5 0 9 0 )

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摘

要随着计算机性能的提高使用计算机仿真技术帮助掌握电气工程领域的基本知识并解决设计问题是通行的方法PS

:

.

。

本文着重

介绍叙

ie a e Pc S b、

r

、

t a M a l等几种主要的电力电子仿真软件的功能特点和应用情况并综合比较它们的优势与劣势 b,

。

词仿真软件*:

:

Ps p ie ep

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〔中图分类号」

rN 7 O Z

[文献标识码」

文章编号

:

一一一 1 5 6 1 0 3 4 9 (2 0 0 6 )0 9 0 0 4 8 0 3

1

引言

力与电子结合形成了电力电子学科它是一个较为年轻的学科也是多学科交叉的边缘学科,。

,

,

电力本质是能源有相当惯性控,

,

,

计算机仿真具有效率高精度高可靠性高和成本低等特。

、

、

制它的是电子线路有相当快速性两者构成系统尤其形成闭环系统时用自动控制术语来说属病态系统意即有不易解决的,,。

,

点已经广泛应用于电力电子电路 (或系统 )的分析和设计中,

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析减轻劳动强度提高分析和设计能力避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差还可以与实物试制和调

试相互补充最大限度地,,,,

,

稳定性方面的问题图

这样的系统品质在 2世纪 8年代中后 0 0。

期有了飞速的提高

。

究其原因则是借助于计算机仿真技术,

在使用计算机来进行仿真时选择合适电路设计软件会

降低设计成本缩短系统研制周期

,

。

可以说电路的计算机仿真.

,

使该问题得到一定的解决前段时间的软件多是解决线性连续工作的稳态电路,。

,

、

] l技术大大加速了电路的设计和试验过程[

本文在介绍设计电,

本文介绍的软件既可解决线性电,

,

气工程电路和系统的有效手段

款在当前业界流行的几种电力电子仿真软件并对比分析各仿

—

仿真技术的基础上介绍几,

路也适合非线性电路;既可解决模拟电路也适合数字电路;既可解决连续状态工作问题也适合不连续状态工作的,

真软件的优缺点和应用情况2

。

问题;既可解决连续稳定工作电路也适合开关调节的启动,

仿真是设计电气电路和系统的有效手段电气工程电路及其组成的系统主要功能是能源变换传递、

工作电路

。

总之电气工程电路均可仿真、

,

。

仿真时要读取,

.

电路中任何一点电流任何两点间的电压都很容易还可以进行频率响应频谱分析温度分析参数变化分析蒙特卡罗分析最坏情况分析噪声分析等等、、。、

、

、

、

过程的控制

。

要变换的是电力形态控制方法靠电子线路

,

.

电

可以说后面几种分,

电滋廿界

2

晰/9

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仿其杖术}}}}},,

析在面包板实验中是无法模拟进行的加之仿真软件是在计算机上运行所以有使用方便简单的优点,,,、

电力电子学科近年发展形成了能源电子学科、

子学科除电力电子学科内容外还应考虑材料环境可靠性] s管理等方面的间题才能解决好能源转换问题[,,。

此复杂的系统工程只有充分利用计算机处理综合信息才能迅速得到成效 33 1.

。

仿真的必要性有效性可见一斑

电力电子电路仿真软件 S ie P P c仿真软件PS p ic e

co e是由美国 M i r而公司在印 ics

升级并用于5 0.

C P

机上的 s P

—。。、、

e另外在磁性元件的模型方面 PS p ic也有待加强,

。

3 2.

Sa b e

r

仿真软件、

所谓能源电,

e压b

r

是美国 A n l g y公司开发现由 S yn o p s s公司经营的 a o y,,

系统仿真软件被誉为全球最先进的系统仿真软件也是唯一的多技术多领域的系统仿真产品现已成为混合信号混合技术设计和验证工具的业界标准可用于电子电力电子机电一体化机械光电光学控制等不同类型系统构成的混合系统仿、、

由此可见如

,

、

,

、

、

、

。

、

、

、

真这也是 S b a e,、、

r

的最大特点

。

阮b e,

r

作为混合仿真系统可以兼

,

容模拟数字控制量的混合仿真便于在不同层面上分析和解

决问题其他仿真软件不具备这样的功能〔〕a e S b,

,

’

.

ZG

版本的基础上

r

仿真软件是当今世界上功能强大的电力电子仿真软r

i e c

版本其中采用自由格式语言的,

,

件之一现从几个方面对 S b a e1.

仿真软件进行介绍

.

版本自 2世纪 8年代以来在我国得到广泛应用并且 0 0.

原理图输入和仿真r

从

6 0

版本开始引入图形界面

。

1998

年著名的

ED A,

商业软-

3 b e进人压h a,

k S

t e

h c是S b a e。

r

的原理图输人工具通过它可以直接r

,

co件开发商 O R C A D公司与 M i r s而公司正式合并自此 M ic

r

仿真引擎r

在压b e

k S

t e

h c中用户能够创建自己的,、、

Pc s o r如公司的 PS i。

e

产品正式并人 O R C A D公司的商业

ED A

e原理图启动阮 b、、

完成各种仿真 (偏 t点分析以二析 A C分分、、

系统中

析瞬态分析温度分析参数分析傅里叶分析蒙特卡罗分析8 0.

、

、

e现在使用较多的是飞p ic,

,

工作于 W in d、

o

w

s

环境占用、

,

噪声分析应力分析失真分析等 )可以直接在原理图上查看仿、

、

,

硬盘空间 6 M左右整个软件由原理图编辑电路仿真激励编 0

真结果 S b a e,、

r

k S

t e

h c及其仿真功能可以帮助用户完成混合信、

辑元器件库编辑波形图等几个部分组成使用时是一个整体

、

、

,

,

号混合技术 (电气液压等 )系统的仿真分析,

.

e 3 b、

:

k S

t e

h c中

但各个部分都各有各的窗口

。

与传统的,

e印ic

e软件相比 PS p ic,、

的原理图可以输出成多种标准图形格式用于报告设计审阅或

在三大方面实现了重大变革首先在对模拟电路进行直流交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上实现了蒙特卡罗分析最坏情况分析

以及优化设计等较为复杂的电路特性分析;第二,、

:

创建文档2.

。

,

、

数据可视化和分析ss

,

o o C m

c s叩e是 S b a e

r

的波形查看和仿真结果分析工具,

,

不但能够对模拟电路进行仿真而且能够对数字电路数模混合

它的测量工具有 5多种标准的测t功能可以对波形进行准确 0的定量分析。

电路进行仿真;第三集成度大大提高电路图绘制完成后可直,,

它的专利工具。

]’接进行电路仿真并且可以随时分析观察仿真结果[,,

。

多种数学操作

o C

e飞 p ic的应用范围很广电力电子电路的动态仿真仅仅是

图形格式用于文档3.

~.

s

段O P中的图形也可以愉出成多种标准 e

—

波形计算器可以对波形进行

,

其应用之一,

。

e玲p ic的电路元件模型反映实际型号元件的特,,

模型库r

性通过对电路方程运算求解能够仿真电路的细节特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述,。

a e S b

拥有市场上最大的电气混合信号混合技术模型库50r

、

、

,

它的仿真波形与试,

它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型

,

验电路的测试结果相近在模拟实际电路的波形方面比较准确对电路设计有普重要指导意义虽然。

其元件模型库中有 4 7 0多种带具体型号的器件模型通用模型能够满足航空汽车和电源设计的需求,、

,

多种

。

a e S b

模型

e咫 p ic应用越来越广泛但是也存在着明显的缺点,,

。

库向用户提供不同层次的模型支持自上而下或自下而上的系统仿真方法这些模型采用最新的硬件描述语言 (H D L )最大限,

,

e由于匆 ic软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的因

,

此器件的模型都是针对小功率电子器件的对于电力电子电路

,

度地保证了模型的准确性支持模型共享4.

,

。

中所用的大功率器件存在的高电压大注人现象不尽适用有时甚至可能导致错误的结果.

、

,

建模,

S P

pi e c

采用变步长算法对于周期,

,

不同类型的设计需要不同类型的模型 S b a e

r

提供了完整的a te -

性开关状态变化的电力电子电路而言将造成把大量的时间耗费在寻求合适的步长上面从而导致计算时间的延长输出数据结构的格式兼容性也不甚理想敛性问题491。 .

建模

功能可以满足各种仿真与分析的需求有 M A盯,、

,

。

其建模语言主要A MS 5、

,

,

V H D L A MS,

、

O F

r tra n

,

t建模工具包括 See Sp i、

维

PS P i,

ce

的另一问题是仿真的收。

的图表建模工具 T L U S b a型转换同时 S b a er

er

可以对

Si m

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模型进行模

对复杂电路进行仿真时有时数据的准确性较低r一 or d

还拥有强大的参数提取工具可以通过协同

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仿真实现模型复用 a e S b、

。

r

的混合信号混合技术设计和验证能力已经得到了,、、、

、

业界的验证功能强大的原理图输入仿真分析模型库建

模语言建模功能再加上先进的布局布线设计使 S b a e,,

r

成

为业界工程师的首选

。

a e S b

r

的架构和独一无二的模型交换,

能力为市场提供了最为强大的仿真工具能够处理所有的仿真需求。

e与 PS p ic相比反 b e,、

r

是功能更为强大的仿真软件它可以,

,

仿真电力电子元件电路和系统不仅具有 PS P控制方程模块工作.

c i,

e

的功能而且

,

具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力还能结合数学

a e S b a e S b

r

还可以仿真电力传动机械热力流

、

、

、

体等其他运动过程,

.

r

的仿真真实性很好从仿真电路到实。

,

一:

3 4

.

其他仿真软件

应用比较普遍并曾对开关工作电路与系统仿真产生影响的

软件主要有如下几种美国加州大学创建的原始电路模拟软件CA NCE R,

电子线路分析软件P

C E APAP,

,

美国加州理工学院研制开,

发并已获得广泛应用的软件

义,

另外还有电力系统瞬态分P,

析工具 E M T

,

功率变换器和电气传动仿真工具 A TPE N CA N。

电力电子

闭环系统分析工具

电力电子电路仿真工具

S P,

IM

等

软件也在一定范围内使用

当前为电源界实际应用的软件还有 I C:

APws

软件它是由下可以以电路。

Pc Si

e

发展形成的一种电路分析软件在 W in d,,

o

或图形的方式输人自然转成仿真所需信息进行仿真NO N,,

I S M、

-

软件它是命令驱动的交互式程序可以对微分方程结构,

际的电路实现期间参数基本不用修改的数据处理量亦相当庞大,,。

与 PS i e相仿 S b Pc ae,

r

图模拟以及数字系统进行仿真分析这时

电力电子器件一般按

a e S b

r

应用的主要困难是操作较为,

理想开关进行系统仿真,

。

复杂软件价格高昂比较适合于大企业应用中小企业一般是通过委托研究开发来利用该软件3 3.

另外 E W B (电子工作室 )软件也是学习电力电子知识时较

、

.

受欢迎的软件,

。

因为它提供了模拟和数字电子电路的虚拟实验,

a n M a t l b仿真工具包 S im u li k

环境有和真实实验时一致的可视化界面含有许多电子元器件

目前大型科学计算与仿真软件 M a t l已经配备了电力系 b a,

模型也允许自行扩充器件库甚至输出t与流行的 P C,,

B

设计软

统工具包 (p w e r o电子仿真,。

sy s ter

mt

blo e k se t )

,

a这使得 M a t l b可以用于电力

o e件 (如 P r t l O R CA D、

等 )连起来可以布线制版,。

。

因此这种软

Po w e

Sy s

m e的仿真是基于呱e PS p i e

lb ta的 S i i S mu

u m

i ln k图

件在高等学校实验教学中应用较普遍阁4

形环境因而使用起来与

一样方便,

.

n li k是 M a t la b

软件包中最重要的功能模块之一是交互式模块化的建模和仿真的动态分析系统。

、

仿真软件的应用电力电子电路仿真软件在教学科研产品设计与制造等各、、

i l k在电力电子领域通常利用 S m u n建立 i,,

电力电子装置的简化模型 (如基频模型 )并连接成系统即可直

方面都发挥着巨大的作用,

。

接进行控制器的设计和仿真,

。

i l s m u in k

对 C语言代码提供了很,

在教学方面几乎所有理工科 (特别是电子信息 )类的高校

好的支持而且既可以工作在交互式图形环境下也可以工作在t a M a l b指令语言模式的批处理模式下阁.

都开设了仿真软件课程,

.

主要是让学生了解仿真的基本概念和、

基本原理掌握逻辑综合的理论和算法使用仿真软件进行电子。

t a M a l b是基于理想化功率元器件和功能模块的仿真工具

电路课程的实验并从事简单系统的设计具PS p i ce

.

一般学习电路仿真工。

M

at

a lb,

的强大数学运算功能使得

,

Po

e w,

r

Sy s

t

m e

的控制功能非

和M

at

l b a

等为今后工作打下基础

,

常卓越尤其是利用其他相关的工具包电路可以实现极为细致控制而不需花费很大的精力、

e c科研方面主要利用电路仿真工具 (M a t l或咫p l或反 b ab e )进行

电路设计 r C P L D/ FR二 A

-

。

使用 M a t l的另外好处是其数 b a:

与仿真;利用虚拟仪器进行产品测试;将

据处理十分有效精细运行速度较快;其数据的格式兼容性十,

B器件实际应用到仪器设备中;从事代二设计和。

分好便于数据的后处理与分析尤其是控制特性的研究分析缺点在于目前的 P o,

,

,

。

A S C设计等 I

w e Sy r s

t

m e是基于一般电路元件的模型以,,

在产品设计与制造方面包括前期的计算机仿真产品开发中的仿真软件的应用系统级模拟及测试环境的仿真生产流水、,

,

,

及数学模块 (例如传递函数 )来进行仿真的与实际元件的参数有差别仿真的结果与实际电路有一定距离其结果的参考意义主要体现在电路的总体与系统上,。

线的仿真技术应用产品测试等各个环节设备的研制与生产电路板的焊接,、

、

。

如

C PB

的制作电子。

、

其中的开关和控制单元大量,

、

A SI C

的流片过程等

使用了理想元件其中的开关控制器只要直接与开关相连即可不用考虑电平移动。

从应用领域来看仿真技术已经渗透到各行各业包括机械电子通信航空航天化工矿产生物医学军事等各个领域都有仿真技术的应用,。、、、、、、、、

,

基本忽略了对实际开关的暂态过程描述,

。

由于忽略了开关的杂散参数使得电路的数据处理量大为减少运算速度明显提高,。

,

另外仿真软件的功能日益强大原,

,

,

此外

,

Po

e w

r

Sy s

t

m e对计算机的内存要求。

来功能比较单一的软件现在也增加了很多新用途进而使得仿(T转

较高仿真过程容易因存储而滋出中断

第 44页)1 50

电滋廿界

2 0肠/,

行而且能够在一定条件下实现零电流软开关大大减小了开关损耗。

,

,

、

另为这种拓扑结构是创新型的由于 PF的引人使得 C,

,

对电网的谐波污染大大减小同时可以实现在电压下工作还利用了。

,

11 V 0

、

22 v 0

不同

值得注意的是该拓扑结构控制简单P

,

。

这个电源

S D。

I实现了数字 P

D

实时控制使其能良好工作和实

,

现远程通信

参考文献l「〕 K o ki (沧二u

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即w e r

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作者简介,,

王昌男 19 8 2年生北京交通大学硕士研究生从事 X射线,,。

t g l a g e H i卜F r闪 u e.

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,

IE E E C a

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电源的研发工作,

o

9 5 T H 80 25 1 9 95n i g Su几v e r te r

.

姜学东副教授北京交通大学电气工程学院电气工程系主eso n an

,

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国家 8 3脱硫系统 A C I:电源系统项目负责人 X 6-

。

以二Co n

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M e d ie a l Po w

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.

收稿日期

:

2 0 0 5一 0 6一 10 20 0 6一 0 8一 29

定稿日期诏略甲味沼专甲会甲峨沼哈甲毛召会召希甲希甲绘 f端召含召希甲专召含幸含召奋幸奋甲奋召奋甲味甲咯召会幸奋幸奋甲专幸啥沼专甲专甲专甲啥甲啥甲咯月峨月鳍刊阳日叫卜和卜,

:

踌甲告召丢甲咯甲味甲咯甲苦甲啥尹希甲专.

(上接第 4 7

页)

3「」区健昌电子设备的电磁兼容性设计[ M」北京电子工业出.

:

参考文献

版社

,

20 03 .,. .

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收稿日期:

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20 06一 0 6一 23 20 0 6一 0 8一 30

[ 2〕周志敏周纪海开关电源实用技术设计与应用[ M j北京人民邮电出版社,. .

定稿日期

:

,

20 0 3 .. .

甲咭诏召会甲略甲略召绘甲味召略 f含f场 f味甲

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(上接第 5 0

页)。

科学出版社,

,

2 00.

.

真软件更加完善5

M[ 3〕王兆安黄俊电力电子技术〔〕北京机械工业出版社.

:

,

20 0 0

.

结语随着计算机通信技术网络技术数据库技术面向对象技、、、

[ 4〕贾新章

.

0

尤A D/,

c PS p i e g

实用教程[ M〕西安西安电子科.

:

技大学出版社.

19 99 ..

t r t术 In e n e技术以及软件标准化技术的飞速发展电力电子系、

,

5「〕陆治国电源的计算机仿真技术[ M」北京科学出版社:

,

统仿真软件将向网络化专业化实时化和具有更高的开放性可移植性和可扩展性方向发展。

、

、

、

20 0 1

.

电力电子系统仿真软件也将逐。

作者简介张厚升男 1 9 7 6年生讲师研究方向为电力电子与电力传,

步向全过程动态仿真和大规模实时仿真系统方向发展参考文献

,

,

,

动

。

l「〕张厚升基于单周期控制的高功率因数整流器的研究[硕士.

收稿日期

:

20 0 6一 0 5一 20

学位论文][ D」西安西北工业大学.

:

,

20 0 5 ..

定稿日期:

:

2 0 0 6一 0 8一 26

[ 2〕张占松孙时生伍言真电路和系统的仿真实践[ M〕北京,,.

电赚廿界

2侧裕/,

1