Saber仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用

周 凱,吳曉剛,那日沙,劉端增

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150080)

Saber仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用

周 凱,吳曉剛,那日沙,劉端增

(哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150080)

將Saber仿真技術(shù)應(yīng)用于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中,通過同步整流反激變換器實例,介紹了利用Saber軟件建模、進(jìn)行參數(shù)設(shè)計及仿真分析的過程。仿真實驗得到的觸發(fā)脈沖、輸出電流和輸出電壓結(jié)果與同步整流管驅(qū)動電路的原理分析一致。應(yīng)用Saber軟件可使電力電子技術(shù)的原理與概念形象化,將原理性內(nèi)容更直觀的展示出來,學(xué)生對其理解程度也會更加深入。

反激變換器;電力電子技術(shù);課程改革;Saber;

電力電子技術(shù)是由多學(xué)科交叉而成的,是目前發(fā)展非常迅速的一門技術(shù),與電相關(guān)的行業(yè)都離不開電力電子技術(shù)的支持。隨著新型半導(dǎo)體元器件的不斷出現(xiàn)以及技術(shù)的不斷更新,現(xiàn)有電力電子技術(shù)的教學(xué)模式已不能滿足大專院校的授課需要。教師應(yīng)在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新,充分利用多種教學(xué)手段,使學(xué)生不但了解電力電子技術(shù)的原理,更應(yīng)熟知電力電子元器件的使用方法。在教學(xué)中引入仿真演示環(huán)節(jié),將復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)動態(tài)呈現(xiàn),可對電力電子技術(shù)理論作進(jìn)一步驗證[1-2]。

本文結(jié)合同步整流技術(shù)中反激變換器的具體教學(xué)實例,介紹Saber仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)中應(yīng)用的具體方法。

1 Saber軟件簡介

Saber是由Synopsys公司研發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件,是全球先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件之一,也是多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品,現(xiàn)已成為混合信號、混合技術(shù)設(shè)計和驗證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真。Saber作為混合仿真系統(tǒng),可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真,便于在不同層面上分析和解決問題,其他仿真軟件不具備這樣的功能。

Saber軟件集成度高,從調(diào)用畫圖程序到仿真模擬,可以在同一個環(huán)境中完成,不用四處切換工作環(huán)境,并且擁有完整的圖形查看功能,可進(jìn)行偏置點分析、DC分析、AC分析、瞬態(tài)分析、溫度分析、參數(shù)分析、傅里葉分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、應(yīng)力分析、失真分析等。

Saber仿真軟件擁有龐大的數(shù)據(jù)庫,使用也比較簡單。在電力電子技術(shù)教學(xué)中引入仿真環(huán)節(jié),有助于學(xué)生對電路的學(xué)習(xí)和理解[3-7]。

2 教學(xué)實例

反激變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、前后級電壓隔離、成本低、空間要求少等諸多優(yōu)點,在小功率開關(guān)電源中應(yīng)用極為廣泛,但缺點是在輸出電壓較低時輸出電流較大,傳統(tǒng)的反激變換器效率比較低。其效率低的原因在于次級整流二極管通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗較大。將同步整流技術(shù)引入反激變換器中,用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來替代整流二極管,能夠大幅度提高反激變換器效率[8-10]。

2.1 同步整流反激變換器的工作原理

用理想開關(guān)代替反激變換器次級的整流二極管,即可構(gòu)成同步整流反激變換器,其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同步整流反激變換器的基本拓?fù)鋱D

若要實現(xiàn)反激變換器的同步整流,初級開關(guān)管與次級同步整流管必須交替導(dǎo)通,即兩管的導(dǎo)通不能存在重疊時間。當(dāng)初級開關(guān)管導(dǎo)通時,變壓器儲存能量,此時同步整流管關(guān)斷;當(dāng)初級開關(guān)管關(guān)斷時,變壓器將存儲的能量傳遞到負(fù)載,此時同步整流管導(dǎo)通,驅(qū)動信號時序如圖1所示。在實際電路中,為了避免兩管同時導(dǎo)通,在兩管導(dǎo)通與關(guān)斷時刻之間應(yīng)有一定的時間延遲。

2.2 同步整流反激變換器的仿真模型

圖2為同步整流反激變換器電路,設(shè)計技術(shù)指標(biāo)為:

輸入電壓Ui:100～375 V(DC);

輸出電壓Uo:12 V;

開關(guān)頻率:100 k Hz;

占空比:40%;

工作方式:連續(xù)。

同步整流管驅(qū)動電路中各元件的功能如下。

SR為同步整流管(理想開關(guān)),用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的整流二極管。

需要考慮在能量傳輸過程中變壓器漏感所產(chǎn)生的影響,漏感中的能量不能傳遞到次級,而將其轉(zhuǎn)移到電容Cc中,通過Rc消耗掉。

T2為電流互感器,用來檢測通過同步整流管的電流。當(dāng)有電流流過時,則在電流互感器二次側(cè)感應(yīng)出電流。

R1用來將電流互感器感應(yīng)出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴?/p>

C1和二極管VD用來對電流互感器二次側(cè)的電壓進(jìn)行濾波和箝位。

偏置電阻R2、下拉電阻R3和三極管Q1構(gòu)成開關(guān)電路,利用Q1的飽和截止,實現(xiàn)同步整流管SR的導(dǎo)通與關(guān)斷。

Q2和Q3構(gòu)成圖騰柱輸出電路以提供足夠大的電流,使同步整流管的驅(qū)動電壓迅速上升到所需值,保證同步整流管快速開通,同時為同步整流管關(guān)斷時提供反向抽取電流回路,加速其關(guān)斷。

2.3 仿真參數(shù)的設(shè)置

設(shè)置瞬態(tài)分析仿真器需要注意的是,由于電路復(fù)雜且開關(guān)頻率較高,因此電路仿真的速度較慢。如果仿真器長時間處于運(yùn)行狀態(tài),可通過單擊窗口中的stop按鍵來終止仿真進(jìn)程,此時CosmosScope示波器窗口也會自動彈出,不會影響仿真結(jié)果,只是顯示的時間軸長短不同。為了順利地完成仿真,對瞬態(tài)分析仿真器做如下設(shè)置:

終止時間(end time):60 ms;

步長(time step):1μs;

運(yùn)行靜態(tài)工作點分析(run DC analysis first):yes;

分析后繪制曲線(plot after analysis):yes-open only;

管腳處波形(waveforms at pins):across and through variables。

2.4 仿真結(jié)果分析

基于上述仿真參數(shù)設(shè)置,對同步整流反激變換器進(jìn)行了仿真[11-13]。分別對兩個晶體管的觸發(fā)脈沖、輸出電流和輸出電壓進(jìn)行觀測,仿真結(jié)果如圖3所示。為了便于分析,圖3只截取了仿真過程中某一段時間內(nèi)的波形。

仿真結(jié)果與2.1節(jié)對同步整流反激變換器的工作原理分析一致,同時仿真結(jié)果證明,該驅(qū)動電路可以很好地實現(xiàn)同步整流功能。

3 結(jié)束語

通過一個學(xué)期的教學(xué)實踐證明,采用板書與多媒體教學(xué)并用的方法,教學(xué)效果遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)單一用板書教學(xué)的方法,學(xué)生的聽課興趣提高,對于原理性知識的掌握也更加透徹。通過仿真演示,學(xué)生能夠建立起系統(tǒng)的概念,并將理論與實際很好地聯(lián)系起來,能夠由點到面地分析與解決問題。

圖2 同步整流反激變換器仿真電路

圖3 仿真結(jié)果波形圖

References)

[1]王紅梅,黃華飛,唐春霞.Saber仿真在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2007(1):80-82.

[2]楊浩東,王偉.電力電子教學(xué)中常用軟件對比[J].中國電力教育, 2012(3):112-113.

[3]丘東元,眭永明,王學(xué)梅,等.基于Saber的“電力電子技術(shù)”仿真教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2011,33(2):81-84.

[4]秦嶺,高寧宇,華亮.Saber仿真軟件在“電機(jī)學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2011,33(1):64-66,86.

[5]吳勝華,張成勝,鐘炎平,等.高壓懸浮驅(qū)動器IR2110的原理和擴(kuò)展應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2002,5(7):348-351.

[6]丁新平,馬淋淋.Saber仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育,2011(6):53-56.

[7]顏紅,王艷春.Saber仿真在Buck電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技咨詢,2012(28):195-196.

[8]張望.基于同步整流技術(shù)的反激變換器分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2011(12):284-285.

[9]范立榮,孫豐濤,李輝.基于單相交錯式并聯(lián)PFC的Saber仿真應(yīng)用研究[J].通信電源技術(shù),2014,31(1):26-30.

[10]王余奎,趙徐成,常軍,等.基于Saber仿真的電源車勵磁調(diào)壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計[J].大功率變流技術(shù),2011(3):44-50.

[11]謝華林,楊金明.基于SABER仿真器的雙管正激參數(shù)及控制環(huán)路的設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2009,12(10):8-11,25.

[12]王建秋,劉文生.Saber仿真在移相全橋軟開關(guān)電源研發(fā)中的應(yīng)用[J].電力電子,2009(4):30-33.

[13]黃志武,秦惠.SABER仿真在LLC諧振變換器開發(fā)與設(shè)計中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù),2008(2):74-80.

Application of Saber simulation software in teaching of Power Electronics

Zhou Kai,Wu Xiaogang,Na Risha,Liu Duanzeng
(Collage of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

The Saber simulation technology can be applied to the teaching of Power Electronic course.This paper introduces the software modeling,analysis,parameter design and simulation process by using the synchronous rectification flyback converter.The trigger pulse,output current and output voltage data caused by the simulation experiment are in accordance with the principle of synchronous rectifier circuit.The application of Saber software makes the principles and concepts of power electronics technology visualized and displays original rational content more intuitive which can enhance the student’s comprehension of power electronics technology.

flyback converter;power electronics technology;curriculum reform;Saber;

G421

A

1002-4956(2015)4-0127-03

2014-09-25修改日期：2015-01-20

哈爾濱理工大學(xué)教學(xué)綜合改革項目(zhjg32015054018)

周凱(1982—),男,黑龍江哈爾濱,博士,副教授,主要從事汽車電子及測試技術(shù)的研究.

E-mail:zhoukai4564＠163.com