电力电教仿真对比

本文作者：杨浩东 王伟 单位：江苏常熟理工学院电气与自动化工程学院

常用电力电子仿真软件的特点

Matlab软件下有专门针对功率系统仿真的相应工具箱PowerSystem，该工具箱建立了电力电子器件、无源元件、变压器以及电动机等各种功率器件的理想模型，特别容易与Matlab下强大的数学运算功能接口，在算法和原理验证方面具有独特的性能，但对于电力电子器件模型仍为较理想模型，一般只用于原理性验证。

Psim是一款小巧的专门针对功率系统仿真的软件，包含了丰富的电力电子器件模型和一些常用的算法模块，但该软件用到的模型一般都为理想模型，与Matlab类似，一般也只用于算法和原理性的验证。

Pspice和Saber软件是市场上较为成熟的电子系统仿真软件，能够完成电路的直流分析、交流分析、参数分析以及瞬态分析，其包含的器件模型与实际模型较为接近，且各大功率器件和芯片厂商都提供了针对这两个软件的器件仿真模型，可以直接从厂商网站得到。采用这两软件，能够得到与实验特别接近的仿真结果，但这两款软件对于初次接触电力电子课程的学生较难掌握，需要较多的基础知识准备。

SIMetrix/SIMPLIS软件是一款体积较小的可用于电力电子仿真的专业软件，其内部提供了两种仿真模式，一种是SIMetrix方式，与Pspice仿真算法基本相同，仿真速度较慢；另一种为SIMPLIS，采用分段线性化的求解方式，仿真速度较快。该软件内部包含了丰富的电力电子器件和控制芯片模型，并且能够导入Pspice的相关模型，容易扩展。该软件仿真速度快，且能得到与实际较为接近的波形。

不同仿真软件在电力电子教学中的应用

电力电子器件特性的掌握是电力电子课程中关键的一部分内容，该部分内容中电子器件的工作原理虽然在模拟电子技术中有所涉及，但电力电子中关注的内容与弱电电路中的器件不同，如二极管，高频功率电路中更加关注二极管的反向恢复特性等，如功率场效应器件（Mosfet），在功率电路中更加关注其开通关断的特性。Mosfet的驱动电路设计往往是其能否可靠工作的关键，该部分内容在教学时，可以利用Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等几个软件器件模型较为精确的特点，采用仿真分析的方法来讲述该部分内容，形象直观，学生易于理解。如图1中在研究驱动Mosfet时，由于门极驱动走线引起的电感对驱动波形的影响，图1中L1为走线电感，R2为门极电阻，图1中给出了当R2为5欧姆和50欧姆时Mosfet管门极上的电压波形，从图中可以看出，当门极电阻较小时，容易引起驱动电压的振铃现象，当R2为50欧姆时，振铃现象消失，但驱动速度会相应变慢。学生通过仿真演示或自己动手仿真，能够对器件的相关特性有更加直观的理解。

电力电子课程中，介绍了大量的拓扑电路，在分析这些电路时，都需要对电路中各个器件在不同时刻的电压和电流波形进行分析，这时一般都为电路的工作原理讲解，不需要对器件的特性进行考虑，可以在理想器件模型下进行分析。如在相控整流、DC/DC变换这两部分内容，有大量的波形分析，这时可以借助于Psim分析软件来完成，该款软件操作和设置十分简单，学生较为容易掌握。如图2为对Boost升压电路原理进行仿真的电路图和得到的相关波形，学生通过自己动手或老师演示，对电路中一些关键波形进行分析，这样可以使这部分内容让学生能够更为直观的理解。

电力电子课程中也讲述了一些开关器件的控制算法，如PWM调制算法，在讲述该部分内容时，可以利用Matlab容易建立数学模型的特点，如SPWM、SVPWM以及谐波注入的PWM调制算法等，用Matlab实现相比其他软件要方便的多。

对于电力电子中的一些实验，可以借助于软件仿真来实现，Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等几个软件中不仅有丰富的器件模型，而且控制芯片也相当丰富，可以在这些软件下完成一些更为复杂的电路仿真，如带闭环的DC/DC变化电路等，这样不仅为理解芯片的工作原理提供方便，同时也能为电路器件参数的选择提供参考。

结论

目前用于电力电子仿真的软件相当丰富，并且各软件公司也都提供了相应的学生版本，在教学过程中，针对不同的教学内容可以引入合适的仿真软件。对于一些电路的波形分析或原理验证，只需要考虑器件的理想特性，可以考虑采用Psim软件；对于一些算法的仿真，可以采用Matlab来实现；而对于器件介绍或实验模拟等需要考虑器件的实际特性时，可以采用Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等软件。