LTspice軟件在“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革實踐中的應(yīng)用

李春杰， 李心儀， 李洪美， 趙明偉

(江蘇師范大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動化專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，是一門實用性、工程性和綜合性很強的課程[1]。隨著新型電力電子器件、電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制理論的發(fā)展，以及新型產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展和應(yīng)用。

“電力電子技術(shù)”作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生對本課程的理解程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的開展。以王兆安、劉進軍編著的《電力電子技術(shù)》教材為例，本課程內(nèi)容涉及到的知識面廣，電路工作原理分析多 、工作波形多等特點。為了使學(xué)生更好理解各種器件特性以及變換電路的工作原理，需要對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行改革。雖然目前的教學(xué)方式除了理論教學(xué)外還配有一定量的實驗課。但是實驗設(shè)備 、器材 、經(jīng)費 、場所和人員等的限制，不可能就所有的電路都去做實驗；而且在實驗過程中，容易出現(xiàn)器件損壞，影響后續(xù)實驗的進行，也使學(xué)生增加了負擔，往往在實驗中放不開，只求記錄波形 、數(shù)據(jù)，因此實驗效果不好[2]。因此， 針對“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中存在的問題，很多學(xué)校從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等各方面進行了探討與改革。文獻[1～7]將各種仿真軟件應(yīng)用到“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革中，通過仿真波形更好地理解變換器的工作原理及工作狀態(tài)。但是仿真軟件中的電力電子器件不需要選型，都是基于理想器件。文獻[8～10]是通過做項目鞏固并深入理解電力電子技術(shù)，做到學(xué)以致用，將理論知識實用化。如果所有的變換器都以項目形式來做，實施起來困難較大。另外，還有一種方案，就是針對某一種變換電路在教學(xué)方法上進行改革，不同的變換電路教學(xué)方法不同，或者多種教學(xué)方法結(jié)合使用[11]。而本文將LTspice仿真軟件應(yīng)用到本課程教學(xué)中，LTspice仿真軟件里的器件為實際器件，可以模擬硬件電路的設(shè)計[12]。不論采用哪一種教學(xué)改革，其根本目的就是讓學(xué)生更好地掌握這門課程，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力以及解決、分析問題能力。

1 LTspice 仿真軟件簡介

LTspice是凌力爾特公司 (Linear Technology Corporation)推出的功能強大的開關(guān)電源設(shè)計及仿真軟件，具有集成電路圖捕獲和波形觀測功能[13]。通過這款軟件，使用者可以快速地制作電路仿真圖，還可以通過其他的原理圖程序來捕獲程序生成的網(wǎng)表。

LTspice XVII仿真軟件中電力電子器件的模型更接近實際模型，使得仿真結(jié)果更接近于實際應(yīng)用。例如，Cree公司生產(chǎn)的SiC功率器件，在 LTspice仿真軟件中可以直接調(diào)用[14]，而其他仿真軟件，需要自己搭建模型。另外，LTspice XVII仿真軟件安裝方便，學(xué)生可自行下載安裝。

2 課堂知識與實際的應(yīng)用——LTspice環(huán)境下的變換器模型建立與仿真

本文采用了 LTspice XVII，在實際教學(xué)工作中以電力電子技術(shù)中典型的Boost DC-DC變換器仿真電路為例，并取得了較為理想的教學(xué)效果。

2.1 Boost 變換器的設(shè)計

讓學(xué)生利用所學(xué)的理論知識設(shè)計一個開關(guān)電源。設(shè)計開關(guān)電源過程中會遇到很多問題，可以鍛煉學(xué)生的解決問題能力。培養(yǎng)學(xué)生主動思考、積極解決問題，給他們自由發(fā)揮空間，不要過度依賴教學(xué)內(nèi)容。

Boost DC-DC變換器如圖1所示，工作在電感電流連續(xù)情況下，設(shè)計參數(shù)如下[15]：

輸入電壓Vin=120Vdc；

輸出電壓Vout=240 Vdc；

輸出功率Pout=2kW；

開關(guān)頻率fs=100kHz。

在搭建仿真模型之前，讓學(xué)生做些準備工作。例如，從圖1找出需要哪些器件，器件的選取以及電感、電容的取值等。

圖1 Boost DC-DC變換器

1) 器件選取

開關(guān)管關(guān)斷時，兩端承受的電壓為Vout，開關(guān)管導(dǎo)通時，流過的最大電流為輸入電流的最大值, 留有一定余量，選取實際器件型號為Cree公司的C3M0065100K(1000V, 35A)[15]。二極管關(guān)斷時，兩端承受的電壓為Vout，二極管導(dǎo)通時，流過的最大電流為輸入電流的最大值，留有一定余量，選取實際器件型號為C4D20120A[16]。

2) 計算占空比

根據(jù)電力電子技術(shù)教材中Boost變換器理論分析，推導(dǎo)出輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系式為：

(1)

根據(jù)設(shè)實例參數(shù)，求得占空比 ，導(dǎo)通時間為

(2)

3) 輸出電感和電容設(shè)計(擴展內(nèi)容)

教材里沒有具體講關(guān)于輸出電感和電容設(shè)計。在搭建仿真模型時，學(xué)生就會問電感、電容如何取值？讓學(xué)生提出問題，再通過教師講解或者自行查閱資料解決問題，這樣，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

2.2 搭建仿真模型

仿真模型如圖2所示，其設(shè)計步驟如下：

圖2 仿真模型

(1) 打開LTspice XVII軟件，點擊file下的new schematic，即可創(chuàng)建新的原理圖。

(2) 元器件的選取

根據(jù)設(shè)計要求，從元件庫中調(diào)取供電直流電源、SiC功率器件C3M0065100K、C4D20120A，電感、電容以及電阻負載。

(3) 設(shè)置元器件參數(shù)

為元器件添加模型數(shù)據(jù)，右鍵點擊元器件并命名與模型數(shù)據(jù)相同的名字來連接模型數(shù)據(jù)

(4) 繪制電路線路，完成原理圖搭建，如圖2所示。

(5) 設(shè)置仿真參數(shù)，點擊run按鈕即可開始模擬電路運行。

2.3 仿真結(jié)果分析

1) 輸入電壓和與輸出電壓之間的關(guān)系

根據(jù)設(shè)計要求，開關(guān)頻率為100kHz，占空比為0.5，如圖3(a)所示的驅(qū)動信號。理論輸出電壓值為240V，實際仿真結(jié)果為237.5V，如圖3(b)所示，其值高于輸入電壓，基本滿足式(1)的關(guān)系。圖3(c)為改變占空比時輸出電壓的波形，可以看出，隨著占空比的減小，輸出電壓也減小。

(a) 驅(qū)動信號

(b) 輸出電壓和輸入電壓關(guān)系仿真波形

(c) 占空比為0.4時對應(yīng)的輸出電壓波形圖3 相關(guān)仿真波形

2) 開關(guān)管狀態(tài)與電感電流之間的關(guān)系

開關(guān)管T1狀態(tài)與電感電流之間的關(guān)系，如圖4所示，從分析波形可以看出，功率管導(dǎo)通，電感電流線性增長；功率管關(guān)斷，電感電流線性減小。

圖4 開關(guān)管狀態(tài)與電感電流仿真波形

3) 效率分析

設(shè)計中，輸出功率理論值為2kW，實際仿真中，發(fā)現(xiàn)輸出功率為1.956 kW，近似等于理論值。學(xué)生就會問為什么呢？或者教師提出問題，讓學(xué)生去思考。這個問題就涉及到變換器效率問題，也就引出了器件損耗問題。抽絲剝繭，把所有問題引出來，讓學(xué)生積極參與進去，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，既提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，又調(diào)動了學(xué)生學(xué)習的積極性。

3 結(jié)語

將LTSpice仿真軟件引入教學(xué)改革實驗當中，使課堂教學(xué)更生動、有趣。學(xué)生通過搭建仿真模型，掌握了如何設(shè)計電路；通過仿真結(jié)果，可以很直觀地觀測電路中任意點的波形，分析電路的工作狀態(tài)及原理。通過教師演示和學(xué)生親自動手設(shè)計、調(diào)試，學(xué)生可以更好地掌握所學(xué)的知識，同時提高了學(xué)生的動手能力和分析問題、解決問題的能力；減少了操作的盲目性，改善了教學(xué)效果，豐富了教學(xué)方法；補償了傳統(tǒng)實驗中因硬件設(shè)備條件、使用時間所受的限制。