电力电子仿真：理想开关

电感模型
作为理想电感模型（ 在PSPICE中L作为理想电感模型（和变压器的漏抗）为线性电 中 作为理想电感模型 和变压器的漏抗） 即其电感量不随频率的变化而变化。 感 ， 即其电感量不随频率的变化而变化 。 但实际功率电路中所用 的电感，高频时等效电感会发生变化，导致电感量的减小。 的电感， 高频时等效电感会发生变化， 导致电感量的减小 。 一方 面纯电感模型实际上是不真实的，往往会导致错误的计算结果。 面纯电感模型实际上是不真实的 ， 往往会导致错误的计算结果 。 另一方面，上述模型在与之相连的开关器件快速动作时， 另一方面 ， 上述模型在与之相连的开关器件快速动作时， 会在电 路中引起实际中可能并不存在的高速的电压或电流的脉冲－毛刺 路中引起实际中可能并不存在的高速的电压或电流的脉冲－ 从而导致仿真时间的加长，甚至仿真结果的不收敛； ， 从而导致仿真时间的加长 ， 甚至仿真结果的不收敛； 以及与电 路中的杂散电容产生实际上并不存在的高频振荡。 路中的杂散电容产生实际上并不存在的高频振荡。
计算机仿真在电力电子 技术中的应用
清华大学电机工程与应用电子技术系 2003年9月北京 年 月北京
1.3.3 OrCAD在仿真中的收敛性 在仿真中的收敛性 在进行DC扫描和暂态分析时， 在进行 扫描和暂态分析时，PSPICE需利用牛顿拉夫 扫描和暂态分析时 需利用牛顿拉夫 逊法从一组初始近似值开始， 逊法从一组初始近似值开始，通过若干次迭代逼近非线性 方程组的解。尽管实际的物理系统均是存在解的， 方程组的解。尽管实际的物理系统均是存在解的，但在利 用数值方法进行暂态过程求解时， 用数值方法进行暂态过程求解时，往往由于解法的限制不 能得到方程的解，即收敛到一组相容的电压和电流。 能得到方程的解，即收敛到一组相容的电压和电流。解决 算法发散问题的途径一是确定一个合理的初值， 算法发散问题的途径一是确定一个合理的初值，但在实践 中并没有一个一般的方法去寻找初值。 中并没有一个一般的方法去寻找初值。其次是具有尽可能 宽的动态范围，但由于计算机硬件的原因， 宽的动态范围，但由于计算机硬件的原因，目前版本的 PSPICE算法的精度和动态范围均受到一定的限制，这包 算法的精度和动态范围均受到一定的限制， 算法的精度和动态范围均受到一定的限制 括： 1 由于采用双精度算法，PSPICE的精度为 位； 由于采用双精度算法， 的精度为15位 的精度为 2 电压和电流的量值限制在±1E10伏和安培的范围； 电压和电流的量值限制在± 伏和安培的范围； 伏和安培的范围 3 导数的大小限制在1E14以下； 导数的大小限制在 以下； 以下
运行参数设定
பைடு நூலகம்
Pspice的运行参数作为可设定的选项对于仿真计算的结果的收敛性和分析精度 的运行参数作为可设定的选项对于仿真计算的结果的收敛性和分析精度 具有重大的影响。在实际仿真中，运行参数的主要选项如图所示， 具有重大的影响。在实际仿真中，运行参数的主要选项如图所示，其中对于电力 电子电流仿真影响最大的是模拟仿真参数设置，可设置参数包括： 电子电流仿真影响最大的是模拟仿真参数设置，可设置参数包括：电压和电流的 相对误差RELTOL电压的绝对误差（也称最佳精度，下同）VNTOL，缺省值为 电压的绝对误差（ 相对误差 电压的绝对误差 也称最佳精度，下同） ， 1.0uV；电流的绝对误差 ；电流的绝对误差ABSTOL；电荷的绝对误差 ；电荷的绝对误差CHGTOL；任何支路的最小 ； 电导GMIN，）；直流和偏置点迭代次数极限 直流和偏置点迭代次数极限ITL1；直流和偏置点最佳估计次数 电导 ， ； ITL2；暂态分析迭代极限 ；暂态分析迭代极限ITL4；位于 ；位于Advanced Options选项窗口中的总迭代次 选项窗口中的总迭代次 数ITL5＝0（无穷）；标称温度 ＝ （无穷） 标称温度TNOM，27Co。其他选项包括是否对最小电导进 ， 行步进调节（ 行步进调节（ STEPGMIN），该方法是在计算失败后通过增大并联电导的值， ） 该方法是在计算失败后通过增大并联电导的值， 即减小并联电阻的值，来帮助改善计算的收敛性； 即减小并联电阻的值，来帮助改善计算的收敛性；以及是否通过预定制降低矩阵 阶数（ 阶数（PREORDER）等。 ） PSPICE中由于 中由于RELTOL（相对精度）通常取为 ％，所以仿真计算中可以应 中由于 （相对精度）通常取为0.1％ 用的动态范围为12位 此时如按缺省值ABSTOL取1pA，则当电路的最大电流为 用的动态范围为 位。此时如按缺省值 取 ， 数KA时，所需动态范围为，即超过软件的限制，从而引起计算结果发散。所以 时 所需动态范围为，即超过软件的限制，从而引起计算结果发散。 在仿真大功率电路时，如电流的峰值在KA等级时，ABSTOL取为 等级时， 取为1uA；当峰 ，在仿真大功率电路时 ，如电流的峰值在 等级时 取为 ； 值在MA等级时取 等级时取1mA。 值在 等级时取 。 作为一般的准则， 取为比电路典型的电压和电流值小9个 作为一般的准则 ， VNTOL和ABSTOL取为比电路典型的电压和电流值小 个 和 取为比电路典型的电压和电流值小 数量级。虽然VNTOL＝1uV在实际中可以满足绝大多数功率电路的要求，但为 在实际中可以满足绝大多数功率电路的要求， 数量级。虽然 ＝ 在实际中可以满足绝大多数功率电路的要求 了改善其计算的收敛性，建议将该值取为1mV。 了改善其计算的收敛性，建议将该值取为 。 此外，将相对精度（ 此外，将相对精度（RELTOL）降低到 ％可以使动态范围扩大到 位；或将 ）降低到1％可以使动态范围扩大到13位 暂态分析时的迭代次数由缺省的10次提高到比如 次提高到比如50次 而将总迭代次数ITL5置 暂态分析时的迭代次数由缺省的 次提高到比如 次，而将总迭代次数 置 为0（无穷大）均可以帮助改进仿真计算的收敛性。 （无穷大）均可以帮助改进仿真计算的收敛性。
2．2 基于理想开关模型的专用仿真软件 由于利用理想开关模型对电力电子器件进行模拟具 有结构简单，仿真时节约计算机资源的优点， 有结构简单，仿真时节约计算机资源的优点，所以 随着电力电子装置在各个领域中应用的日益普及广 泛，在不同领域的专用仿真软件中加入电力电子器 件的理想开关模型， 件的理想开关模型，将其应用扩展到包括电力电子 装置的系统的研究中； 装置的系统的研究中；或开发适用于某一领域的基 于理想开关模型的专用仿真软件成为一种流行的趋 势。
所以仿真时应将电路中所有的电感都并联一个吸收电阻，用于模 所以仿真时应将电路中所有的电感都并联一个吸收电阻， 拟电感的涡流损耗和限制带宽。 拟电感的涡流损耗和限制带宽。上述并联电阻的阻值应当等于转折 频率时电感的电抗。 比如， 一个1mH的铁心电抗其转折频率为 频率时电感的电抗 。 比如 ， 一个 的铁心电抗其转折频率为 100KHZ，则并联电阻的最佳取值为： R = 2π 100000 .001 = 628 ，则并联电阻的最佳取值为： 在转折频率以下，电感的感抗很小， 在转折频率以下，电感的感抗很小，所以并联电阻对电路的影响 很小，该模型呈现感性；高频时并联电阻将吸收能量，从而对电路 很小，该模型呈现感性；高频时并联电阻将吸收能量， 可能出现的高频振荡进行阻尼。 可能出现的高频振荡进行阻尼。在开关电源等电路中作为输出滤波 器的电感通常体积较大， 器的电感通常体积较大，由于绕组之间的耦合在相当于在理想电感 两端并联有一定的电容。上述电感通常在500K到数十 到数十MHZ间具有 两端并联有一定的电容。 上述电感通常在 到数十 间具有 一个自振频率，体积越大对应的谐振频率越低。 一个自振频率，体积越大对应的谐振频率越低。而在制作时为了降 低有功损耗通常上述电感的Q值很高 值很高， 低有功损耗通常上述电感的 值很高，所以谐振特性非常陡且频率 范围很窄。 范围很窄。所以上述电感可以用一个并联有电容的理想电感来模拟 在谐振频率之上，容性，即并联电容将起主导作用。 ，在谐振频率之上，容性，即并联电容将起主导作用。而在该频率 以下，电感将起主要作用。当以铁氧体环作为EMI抑制时其特性则 以下，电感将起主要作用。当以铁氧体环作为 抑制时其特性则 与其相反，因为该环的目的是对电磁干扰加以抑制， 与其相反，因为该环的目的是对电磁干扰加以抑制，即对辐射能量 加以衰减，所以Q值很低 谐振峰较为平坦且频率范围较宽。 值很低， 加以衰减，所以 值很低，谐振峰较为平坦且频率范围较宽。所以 可以将其建模为一个具有50－ 欧的并联电阻和1－ 可以将其建模为一个具有 －100欧的并联电阻和 －3pF并联电容 欧的并联电阻和 并联电容 的电感。 的电感。但由于磁心材料的性能随频率的变化呈现强烈的非线性和 非单调性所以精确建模十分困难。 非单调性所以精确建模十分困难。
软件是由美国Analogy公司于 公司于1986年开发的 （2）Saber：Saber软件是由美国 ） ： 软件是由美国 公司于 年开发的 一个通用软件包，与传统的仿真软件相比， 一个通用软件包，与传统的仿真软件相比，它具有两个主要特 一个是其结构上通过开发新的模拟硬件描述语言（ 点：一个是其结构上通过开发新的模拟硬件描述语言（AHDL） ） －MAST，采用了将建模和仿真完全分离的技术。这种技术使 ，采用了将建模和仿真完全分离的技术。 得仿真器的算法的开发与数学模型的建立和支持相分离， 得仿真器的算法的开发与数学模型的建立和支持相分离，从而 可以优化仿真算法；而由此形成的开放式的界面使得用户可以 可以优化仿真算法； 方便地自建模型，而不需对仿真算法有深入的了解， 方便地自建模型，而不需对仿真算法有深入的了解，从而优化 模型。另一是采用混合技术，使用户可以用其对包括电机工程， 模型。另一是采用混合技术，使用户可以用其对包括电机工程， 机械工程，和热学，流体力学等多个领域的系统行为进行仿真。 机械工程，和热学，流体力学等多个领域的系统行为进行仿真。 特别是在电机工程领域，由于其模型和算法可以说源于SPICE 特别是在电机工程领域，由于其模型和算法可以说源于 所以可以用和SPICE相同的方法进行仿真，而由于其算法具有 相同的方法进行仿真， 所以可以用和 相同的方法进行仿真 更强的鲁棒性，并可以直接与各种机电等负荷接口， 更强的鲁棒性，并可以直接与各种机电等负荷接口，所以更适 于对电力电子系统进行仿真。但问题是其价格较贵， 于对电力电子系统进行仿真。但问题是其价格较贵，所以大大 地限制了其在我国的推广应用。 地限制了其在我国的推广应用。