作者：陈建业
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
开关电源计算机仿真技术试读：
前言
电力电子技术是利用功率半导体器件的开关动作来控制电功率的流动，从而实现对电能进行变换的技术。在形形色色的电力电子装置中，开关电源是应用领域最广、结构形式最多、在用数量最大并且在一定程度上理论研究也最为深入的装置。但是，作为一个非线性时变系统，由于不能采用经典的控制理论对其进行分析和设计，给开关电源的设计带来很大的困难。随着计算机技术的发展，利用数学模型替代实际系统进行试验，以研究系统的静态特性和动态特性，即计算机仿真，正成为电子设计（EDA）自动化的一个重要组成部分。目前，在开关电源领域，开关变换器建模和分析的理论趋于成熟，工程应用也日益广泛，计算机仿真正成为开关电源设计的一个重要手段。对于广大开关电源设计人员而言，上述理论方法与实际应用仍存在一定的距离，如何利用市场上成熟的计算机软件简单快捷地进行设计是他们的愿望。本书试图通过对电子电路设计领域应用最为广泛的 OrCAD 软件基本原理和使用方法的介绍，为读者提供一个迅速选择元件模型，并据此建立系统仿真模型的指引；同时，通过大量的仿真实例来演示如何有条不紊地对开关电源的设计问题进行分解和处理，直到得到预想的结果。由于本书的读者对象主要是从事开关电源设计的专业技术人员和大专院校相关专业的高年级本科生及研究生，所以作者在书中尽可能避免复杂的理论推导，而以定性的方法从物理概念入手对开关电源的结构﹑原理和应用实例进行介绍，并侧重对于应用技术和实际电路的分析与计算。此外，作者假定读者对于开关电源的基本理论和技术已经有所了解，所以将讨论的重点放在开关电源设计的专门技术上。本书内容由5章组成，第1、2章介绍计算机仿真的背景知识，其中第1章介绍有关计算机仿真的基本概念和方法以及采用计算机辅助设计（CAD）的必要性，第 2 章介绍在电子电路设计中应用最为广泛的 OrCAD/PSpice 软件的基本结构和使用方法；第 3、4 章主要讨论开关电源的两个主要部件，即开关器件（第3章）和磁性元件（第4章）的元件级建模方法，并给出了相应的应用实例；第5章从装置和系统的角度讨论开关电源的计算机辅助设计方法，并介绍几种常用的仿真软件，包括在线和离线的使用方法。本书各章均采取由浅入深的方式逐步展开，以大量的实例将理论与实际应用紧密结合，并在可能的地方都尽可能对过去的经验和现在的发展加以适当的介绍，以供读者对整个开关电源计算机辅助设计有尽可能全面和深入的了解。衷心希望本书能对读者在开关电源的设计方面有所帮助。为便于读者查看，本书中的电路模型、仿真电路图及仿真结果等均为软件原图，图中的部分元器件符号不符合国家标准，编辑时未做规范，特此说明。由于作者的水平有限，书中难免有错误和不当之处，欢迎读者批评指正。编著者2010年8月第1章 绪 论1.1 引言目前，人类所使用电能的75%须经过电能变换，在21世纪这个比例将达到90%以上。一个典型的电能变换系统通常是由电力电子器件构成的开关电源装置、由模拟电路或数字电路（如计算机）构成的控制电路和由电动机或其他机电设备构成的负荷三部分组合而成。这样一个复杂的非线性的数模混合系统，再加上各个部分往往又遵循不同的物理法则，其设计和分析均存在巨大的困难。而计算机硬件和软件技术的发展，使得只要用户能建立适当而精确的电路模型，就可以利用已知的电路理论和计算方法，在计算机上利用软件建立一个虚拟的电路模型，并对其进行大量且迅速的计算，“仿真”出接近真实的电路结果。利用“软件面包板”的形式对电路设计进行验证的方法可以克服硬件试验方法所面临的困难，使得设计人员可以将更多精力集中在设计层面，从而大大节省产品开发的费用和缩短开发周期，因此得到电路设计工程师日益广泛的应用。近年来，电子电路设计自动化（ EDA ， Electronic Design Automation）已经渗入到电子电路设计的各个领域，如原理图设计、逻辑或模拟电路仿真、设计优化、最坏条件分析和印制电路板设计等。电力电子电路的 EDA 工具也得到了长足的发展。此类工具主要包括三种：第一种是在传统的电子电路设计软件中，通过引入新的电力电子器件模型将其应用领域扩展到电力电子系统的设计中，如为我国电路设计人员所熟知的 OrCAD/PSpice；第二种是专用领域的仿真软件，如控制系统仿真软件MATLIB中加入以理想开关模型为代表的电力电子器件模型，从而使其在原有研究领域中面对包括电力电子装置的问题时仍可进行有效的仿真；第三种是新开发的电力电子系统专用仿真软件，如以开关电源设计为目的的 SIMPLIS 等。总之，在对电力电子系统的开发设计中，计算机仿真已经成为电路设计人员的一个基本手段。1.2 基本概念下面介绍计算机仿真的几个基本概念。（1）仿真仿真指的是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对上述模型的实验来研究已存在的或计划中的系统。换句话说，仿真就是利用模型对实际系统进行实验研究的过程。这就涉及两个基本概念，即“系统”和“模型”。（2）系统系统一词最早见于著名古希腊原子论创始人德谟克里特的著作《世界大系统》，是指具有某些特点功能，按照某些规律结合起来，相互作用、互相依存的所有实体的集合或总和。系统具有两个基本特征：整体性和相关性，即系统内各个部分是不可分割的，它们相互之间以一定的规律联系，它们的特点关系形成了具有特定功能的系统，按照系统的物理特征分为工程系统和非工程系统，常见的电气、化学、热学、机械等系统都属于工程系统，而社会、经济、交通、生态等系统则属于非工程系统。按照状态变量是否连续分为连续系统、离散系统和连续/离散混合系统。连续系统又包括集总参数系统和分布参数系统，离散系统包括离散时间系统和离散事件系统，混合系统则是由连续系统和离散时间系统组成。虽然上述物理系统从性质上看千差万别，但其具有一个共同的特性，即均可以用微分方程来加以描述，这体现了客观世界的统一性。（3）模型模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质的描述，是人们对客观世界反复认识、分析，经过多级转换、整合等过程而形成的最终结果。模型具有与实际系统相似的数学描述或物理属性，可以各种直观的形式给出所研究系统的有用信息。在实际应用中，根据模型和原型系统的关系可将模型分为如下几类：① 形象模型：保留原型的外观特征，仅对实际系统的规模进行放大或缩小。② 模拟模型：又称类比模型，它根据描述不同物理系统（力学、电学、热学等）的物理规律之间的相似性，建立物理意义完全不同的模型。③ 符号模型：借助文字、字母、符号、图表或数学表达式来描述实际系统的模型。其中，利用数学表达式来描述现实系统的模型称为数学模型。仿真的概念在其发展过程中不断演变，但无论哪种定义，仿真基于模型这一基本观点都是一致的：仿真就是通过对模型的实验达到研究系统的目的。系统仿真是以相似性原理、系统技术、信息技术及应用领域的相关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合技术。（4）仿真过程根据上述定义，计算机仿真可以分为两个过程。① 建模建模是根据研究对象的基本物理规律，对物理系统写出描述其运动规律的数学方程，即数学模型的过程。模型的建立是系统仿真的基础，其本质是依据系统之间的相似性原理，在一对系统之间建立一种对应关系，从而可利用模型系统对实际系统进行研究。由于实际系统十分复杂，往往不可能对其做出无所不包的全部描述。实际系统往往是多方面的，如电力电子器件本身的特性就包括其电特性、热特性及机械特性等不同的方面，对由其构成的系统进行研究时既没有必要也不可能建立一个包括上述全部特性的统一的模型，而往往是根据所研究的问题建立相应的某一方面的模型。实际系统又是多层次的，如开关电源中可能包括以数百毫秒为周期的输出回路的调节过程，微秒以至纳秒级的电力电子器件开关和杂散参数的过渡过程，这样一个大时标跨度的系统，在数学上对应的是一个病态的方程，会导致求解过程中的数值稳定性问题。实际上，对于同一个系统从不同角度观察会产生各不相同的概念，在数学上也会产生互不相同的描述方法。虽然最理想的是建立符合所有目的的数学模型，但实际中很少有人去研究这类问题，因为此类模型可能过于复杂而难以求解，特别是对于通常关心的特定领域和特定时间的问题而言，其他现象与其之间很可能是弱相关的，可以忽略不计。比如当研究开关电源的暂态过程时，由于输出回路的时间常数很大，完全可以近似认为在一个开关周期中输出电压保持不变，从而简化模型。所以，在建模过程中重要的是记住数学模型所代表的数学系统只是实际系统在概念轴上的投影，建模的本质在于将所研究的系统投影到适当的概念轴。换句话说，所建立的数学模型，实际上只是根据研究目的确定的、关于系统某一方面本质属性的抽象描述。② 实验仿真的过程即是利用模型对系统方程进行求解，即实验的过程。对于数学仿真而言，其过程就是利用适当的程序语言将所研究的物理系统的数学模型编制成的程序，并向其输入不同的条件进行计算的过程。仿真与通常的数值计算之间的根本区别在于它首先是作为一种实验技术，利用所建的模型在给定条件下使程序运行的过程。另外，它通常用于不能得到其解析解的复杂系统的研究。综上所述，仿真通常指的是利用虚拟模型对所研究的系统进行实验，即研究人员根据所研究系统的物理规律建立该系统的数学模型，然后通过输入各种不同条件来预测系统的特性和外部作用的影响，进而研究系统的结构和控制策略，并据此优化设计。这正是电力电子系统设计人员所希望学习和掌握的方法, 也是本书所介绍的内容。1.3 系统建模模型的建立是系统仿真的基础，其本质是依据系统之间的相似性原理，在一对系统之间建立一种对应的关系，从而可以利用模型系统对实际系统进行研究。为了说明上述概念，首先对相似性和相似系统加以说明。图 1-1 所示为一个由质块、弹簧和阻尼器组成的机械系统和一个由电阻、电感和电容组成的电气系统。图1-1 机械系统和电气系统的相似性描述上述两个系统的微分方程分别为显然，二者具有相似的数学描述，并且在参数上存在一一对应的关系，相应地，两者的响应也具有相似的振荡特性。可以设想，假如比例尺选择适当，利用电气系统进行实验的结果和利用机械系统进行实验的结果在数值上将完全相同，因此可将电气系统看做机械系统的一个模型。实际上，当描述两个不同动态系统的微分方程具有相似的形式时，这两个系统就互为相似系统；而在微分方程中占据相同位置的物理量，称为相似量。相似系统的概念在实践中十分有用，因为在研究不同类型的系统时，一种系统（如电气系统）可能比另一种系统更容易通过实验进行研究，所以可以通过建立和研究一个与作为研究对象的复杂系统（如机械系统）相似的电气模拟系统来代替对机械系统的制作和研究。同样，一个数字系统往往比一个电气系统更便于研究，所以可根据电气系统的物理特性，建立描述其特性的数学方程，即数学模型，从而将一个电气系统的问题利用数学方法进行研究。因此，一个系统可以用其相似模型在某种意义上加以近似，这是整个系统仿真理论的基础。实际应用中，由于系统多为非线性系统，所以相似性的成立是有条件的。对于宽范围的相似研究，往往需划分为若干个子区间分别建立相似系统来进行。数学建模即是根据研究对象的基本物理规律，写出描述其运动规律的数学方程，即数学模型，从而在物理系统和其抽象的数学描述之间建立起对应关系的过程。这种关系的建立大致可以分为五个步骤：① 系统分解。如前所述，针对所研究的问题对系统进行层次分解，抽取研究对象中与研究目的相关的物理规律，即对模型加以简化，建立所谓的集总模型。② 数学建模。根据集总模型的物理规律建立系统的数学模型，即抽象为相应的数学方程—微分方程组或差分方程组。③ 模型转换。由于计算机数字仿真的实现依赖于程序的运行，因此需将模型的数学描述变换为相应的计算机程序或排题板上的结构，即是编程过程。④ 参数估计。根据实际系统决定方程中未确定的系数。⑤ 可信度检验。通过仿真实验的结果与实际系统的对比来验证模型的正确性。应当指出的是，上述过程是一个十分复杂的过程，并没有一个固定的程式可以遵循。更有人指出，建模是一门艺术，是逻辑、直觉、抽象、联想与技艺的融合。1.4 数学仿真数学仿真是以数学模型与实际物理系统之间的相似性为基础的仿真，其主要特点在于利用数学模型代替实际系统进行实验，以研究实际系统的静动态特性。它的主要优点在于它完全建立在软件基础之上，从而可以在产品生成之前即对其进行评估，便于早期发现设计缺陷，提高效率；可以根据研究对象的不同随时对模型加以变动，而不像物理模拟那样需对硬件加以改动，因而经济快捷；可以对电路在最坏情况、最恶劣条件以及故障状态下的性能进行评估，从而提高产品的安全性。但是相对于利用按比例缩小的模型进行的物理模拟而言，由于其模型的正确性依赖于对物理规律的把握和抽象的准确性以及计算机的计算能力，所以其可信度受到一定的限制。数学仿真的基本前提在于任何一个动态系统从根本上来说均是可以由状态方程—微分方程组来描述的。由于微分方程组均可以利用积分的方法求解，所以解决上述问题的核心就是解决积分计算问题。随着计算机技术的发展，数字计算机已经成为计算与仿真的基本工具。由于计算机的变量表现为离散的形式，所有连续的数学计算必须转换为离散形式才能进行，所以数字仿真模型的建立首先是将数学模型离散化，然后根据数值计算方法，将模型的运算编制成计算机所能识别的程序的过程。这里所谓的数值方法，即是求作为系统模型的微分方程在一系列离散的时间点t,t,",t上的近似解X, 01n0X,", X ，其本质即是利用差分方程的解来近似微分方程的解。1n图1-2给出了利用仿真软件进行时域分析的一般步骤和基本方法。图1-2 时域分析的一般步骤和基本方法图1-2中的步骤可以说明如下。（1）图形数据化电连接网表是连接电路原理图和仿真软件之间的桥梁，只有将电路原理图翻译成仿真程序可以识别的电路中所有元器件性能和相互之间连接关系的文件，才能作为仿真软件的输入被调用。（2）数学建模作为建模的方法，主要采用状态方程法、改进节点法和拓扑法。（3）离散化为了利用数字计算机对连续系统进行求解，必须将所建立的描述系统的微分方程组利用数值积分方法进行离散化。表1-1中给出了几种典型的数值积分方法的计算公式。下面对在计算机仿真软件中经常应用的欧拉法、龙格-库塔法和梯形法的基本原理做一简单介绍。表1-1 典型的数值积分方法的计算公式和特征① 欧拉法欧拉法又称折线法，其基本原理如图1-3所示。图1-3 欧拉法的基本原理这种方法中，由于求解 y 的值仅需了解y的值，故称为单步法。由于算n1+n法简单，所以计算速度快，但计算精度不高，特别是其数值稳定性不好。由于其解依赖于前一个点的值，故各步的舍入误差有可能会恶性传播，使得后面的误差越来越大，所以这种向前欧拉法在仿真软件中通常不用。但由于其计算简单、物理概念明确，所以对于理解数值积分方法的基本原理是十分重要的。② 龙格-库塔（R-K）法为了减轻计算时对前一个点的计算值的依赖性和提高计算精度，一个可行的方法就是利用多步法，即在每一步计算时利用前面若干个点的值的线性组合，即这种方法的基本思想是基于泰勒展开式，即引入的截断误差为截断误差的阶次n越高，计算结果越精确。采用线性内插的方法增加计算次数，求出等效斜率是 R-K 法的基本思路，其中最常用的是四阶R-K法，即这种方法的精度比欧拉法高，同时具有较高的稳定性，并可自行启动，因此广泛应用在系统仿真软件中。但它要求所求解的函数一阶以上的导数连续，而欧拉法则没有该要求；同时由于每一积分步需要进行 4 次右函数计算，所以计算量约为欧拉法的 4 倍。实际上，这两种方法均是基于在初值附近展开泰勒级数的原理，所不同的是取多少项，欧拉法仅取 2 项，四阶龙格-库塔（R-K4）法取前 5 项。随着取的项增多，计算精度增高；但计算公式随之变得复杂，计算工作量增大。实际中采用哪种方法需根据问题需要选择。③ 梯形法k=2的隐式Adams方法称为梯形法。虽然它的仿真精度不如R-K4法高，但对于任意大的仿真步长，由梯形法建立的数字仿真模型具有与原系统相同的稳定性品质，因此在很多仿真软件（如PSCAD/EMTDC）中得到了广泛应用。梯形法的计算公式为梯形法是隐式的，可用迭代法进行求解。利用欧拉法提供迭代初值，梯形法的迭代公式为为了控制计算量，通常只迭代一两次就转入下一步的计算。直接使用梯形法的一个很大缺点是收敛速度慢。为了提高收敛速度，可以采用复化梯形法、辛普森法或外推加速法，有兴趣的读者可阅读参考文献[6]。数值积分法除了存在上述单步与多步的区别外，实际计算中根据 y 的求k1+解算式中是否隐含其本身又分为显式和隐式两种方法。其中，显式方法由于直接计算，每步计算次数少，易于编程，但在求解病态方程时，稳定性差，必须用很小的步长；隐式方法则通过迭代方式求解，可以改善截断误差，稳定性好，对于病态方程求解可用较大步长，但每步计算次数多。表 1-2 列出了电力电子技术常用仿真软件及其特点。可以看到，隐式算法中的梯形法由于容易计算、数值稳定性好，同时具有适当的精度，在电路仿真软件中得到最广泛的应用，而除了向前欧拉法外，其他方法均在仿真软件中得到应用。表1-2 电力电子技术常用仿真软件及其特点续表作为电力电子电路中周期性开关过程所引起的系统状态的突变在数值计算中会带来如下问题：● 陷入步长选择的两难境地，如果采用定步长计算可能会导致计算误差的积累；而采用变步长算法一方面周期性地状态变量的突变将导致大量的计算时间被用来寻找适当的步长，另一方面也可能导致过小的计算步长，总之增大仿真计算所需的时间。● 由于算法不收敛引起计算的终止。● 由于数值积分方法的原因引起开关动作时刻的数值振荡。为了解决上述问题，日本电气学会报告中指出：● 可以通过在开关器件两端引入专门为改善计算稳定性所用的吸收回路（数字吸收回路）并适当调整计算步长来改善计算稳定性。● 引入插值算法。电力电子器件开关时刻状态变量会发生突变，而仿真结果却是通过在一系列离散时刻求解网络方程实现的，假定电力电子器件开关时刻与计算时刻不重合，将可能导致较大的计算误差。利用插值的方法可以有效地消除由于算法所引起的振荡。图 1-4（a）给出了利用 MATLAB 构成的简单二极管整流电路，输入电压的有效值为100V，频率为 50Hz，采用变步长算法。当二极管吸收电路参数不恰当时，关断过程出现强烈的振荡，如图 1-4（b）所示。上述振荡虽然部分是由于关断过程引起的，但更多的是由于数值算法造成的。加以适当的数值吸收回路之后振荡明显消除如图 1-4（c）所示。对比图 1-4（d）所示在没有吸收回路条件下采用详细器件模型的 OrCAD 的仿真结果，可以知道，对于采用理想开关模型的仿真软件中开关过程出现的振荡进行分析时应当十分谨慎。实际上，不应当用理想开关模型来分析电力电子电路的开关过程。（4）线性化由于利用数值积分方法对系统状态方程进行离散化所得到的方程往往是非线性的代数方程方程组，而为了求解必须转换为线性的代数方程组。电路仿真通常是利用牛顿-拉夫逊（Newton Raphson）等方法进行上述转换。图1-4 引入插值算法的例子（5）求解CAD 中数值计算的最后一步是利用高斯消去法和 LU 分解或其他方法对生成的线性代数方程组进行求解，从而完成数字仿真的整个过程。1.5 仿真工具电子系统设计在传统上有两个分支：硬件设计和软件设计，设计人员也因此而分为硬件设计人员和软件设计人员两类。传统上，计算机仿真作为计算机辅助设计的一个组成部分属于软件设计的范畴。由于计算机仿真就是利用计算机程序对所设计的系统进行实验的过程，因此软件设计人员的任务首先就是将所建数学模型借助适当的软件工具转换为在一定软件环境下计算机可以操作的仿真模型，即编程。早期的仿真大多是用户利用通用的程序设计语言，如 Fortran、C 等自己编制程序进行的，而所编程序的核心部分就是上述数值解法。这种方法的一个明显优点是，由于程序使用人同时往往是编制人，所以应用上灵活，便于根据需要随时改动；缺点则是工作量大，并且对程序使用人的要求较高，而且随着研究对象的日益复杂，编程工作就变得十分困难。随着计算机技术的发展和所研究对象的日益复杂化，自 20 世纪 50 年代开始，出现了一些专门设计的各种通用或专用的编程语言。最初的研究重点是将用户所熟悉的模拟计算机的编程方法移植到数字仿真中，推出了一系列具有框图描述功能的连续系统仿真语言，如早期的 CSSL 和当前流行的 MATLAB 等。这些语言允许用户以更方便和直接的方式将问题公式化，并以更简洁的语言进行编程，大大减少了编写和调试程序的困难和时间，加快了仿真的速度。但由于仿真软件本身的局限，仿真的结果通常仍需通过硬件设计人员的再设计，即根据系统要求，细化电路设计，进行功能调试，最后完成电路原理图和印制板的设计。而相应的硬件电路CAD软件，如Tango等也仅是解决了电路设计和印制板布线自动化的问题。近年来，随着计算机技术的发展和人机交互性的改善，出现了一种完全新型的 CAD 语言，即所谓硬件描述语言HDL（Hardware Description Language，也称电路描述语言）。其基本思路在于将实际应用的硬件与程序库中的模型之间建立一一对应的关系，从而可以不借助于中间的函数关系，直接建立系统模型。特别是随着计算机人机界面技术的进展，通过在软件中引入图形用户界面（GUI），用户可以利用 GUI 在仿真软件上通过绘制电路图来直接建立数学模型。利用该类语言进行设计的基本特点在于采用自上而下（Top-down）的设计方法，直接面向用户需要，首先从整体出发，根据所研究系统的行为和功能要求，利用数学模型进行行为描述，并通过对系统行为描述的仿真来发现设计中的问题。此时，设计人员并不考虑实际的操作与算法实现，而仅研究所设计的系统结构及工作过程能否能达到系统设计的要求。在功能设计完成之后再转入具体的电路实现，即通过选择适当的电路和器件实现电路设计。由于此时利用软件模型所进行的原理图设计和利用硬件面包板进行实际的组装是一致的，所以使用人不需具有深入的计算机知识即可进行操作，有效地简化了仿真过程。而采用软件面包板的方法对电路进行分析研究不仅可以大大地节约硬件开发费用，还可缩短系统的开发时间，从而为电路仿真的推广应用提供了有利的条件。这种设计理念将每一步的设计均与仿真结合，可以尽早发现设计问题，因此日益得到电路设计人员的重视和应用。在数字电路设计领域，常用的硬件描述语言包括 VHDL、Viewlo gic、Verilog HDL和Altera公司的AHDL等。由于这些语言具有可以多层次描述硬件电路的功能，而国际上越来越多的电子设计自动化（EDA）软件都接受上述 HDL 语言作为设计输入，完成从系统的高层次行为描述到直接生成 ASIC 器件的全面设计功能，所以得到了日益广泛的应用。在模拟电路设计领域则以Analogy公司于1986年推出的所谓模拟电路硬件描述语言（AHDL）MAST 为代表。该语言的主要特点是对以 SPICE 类型的电路网表为代表的电路描述模式进行了扩充，从而可以支持行为描述。此时，设计人员不需要知道具体的电路结构，只需了解所设计系统的行为和输出入特性即可对电路进行设计。其中，MAST更进一步将仿真程序和建模分离，从而使用户可以自己创建新的器件模型并将其与软件中已有的模型相结合，对系统进行仿真。虽然模拟电路硬件描述语言已经显示出其强大优点，但由于种种原因，在模拟电路设计领域，传统的 SPICE 系列的仿真软件仍占据主导地位。计算机仿真技术在电子电路的设计中已经得到了日益广泛的应用，并取得了显著的经济效益，但也对仿真软件提出了如下挑战：① 由于 SPICE 类型的仿真软件原是为大规模集成电路的设计开发的，因此其中的器件模型均是针对低压、小功率器件建立的。而由于小功率电子器件与大功率电力电子器件结构和性能上的差异，所以简单地采用其模型去模拟电力电子器件可能会引入较大的误差，甚至得到完全错误的结论。比如，用小功率 MOS 器件模拟中压开关电路时，其体电阻将可能使大多数电压降在器件上，从而严重影响仿真结果。近年来，各公司做了一系列努力，但由于大功率器件结构和机能上的复杂性，其模型仍有待改进。特别要指出的是，实践证明，精确地给出电力电子电路在快速开关转换过程中的电压和电流波形实际上是十分困难的。为了得到有用的结果，需要有大量的实验验证，先进的器件模型（以及相应的参数值）和对寄生参数以及电路器件封装方面的详细知识。因此，要得到开关转换过程中的精确波形，更为可靠的方法是通过在实验室中对实际电路进行测试来了解。② 在利用理想开关对系统进行仿真时，由于构成电力电子电路的开关器件的非线性特性，电路拓扑与状态发生周期性的重复变化，数学上对于这种电路结构上本质的时变非线性没有特别的处理方法，因此往往引起仿真的困难。由于电力电子电路中开关器件的工作频率和系统的特征频率往往相差几个数量级，因此是一个病态系统。常规的电子电路仿真软件中，一般均用数值方法（欧拉法、梯形法）求解微分方程。此时数值解的稳定性和计算时间对步长提出了矛盾的要求。常规的仿真软件采用变步长算法来解决这个矛盾。但对于开关电路来说，周期性的开关动作引起的突变是系统固有的性质，变步长方法造成了仿真软件在开关点附近为寻找适当的步长而进行大量的计算，导致计算机资源的大量浪费。但是无论如何，电力电子电路的时域仿真在其设计中发挥了越来越大的作用。它可以降低对硬件面包板接线的依赖程度，从而降低造价；同时可以提供许多从硬件接线难以得到的信息，如各种电路损耗以及器件参数变动对响应的影响。实际上，在变流器的设计过程中，那些琐碎、乏味、机械性的和重复性大从而易出错的工作，如原理图确定、网络生成、时域波形仿真、频响计算、控制环设计、测量数据诊断、磁性材料设计及测试等，均可以通过计算机辅助设计实现。总之，利用计算机辅助设计的方法来设计电力电子电路，可以提高设计工作的生产率和设计质量。此时，设计者可以将精力集中在设计上而不是各种计算，并且在硬件没有建立之前即对系统进行研究、优化和对设计加以验证。当然，设计人员也应清楚地了解运用各种仿真工具设计的局限，以避免导致错误的设计。在目前存在的大量仿真软件中，本书选用 OrCAD/PSpice 软件对开关电源的仿真进行讨论。这主要是因为，该软件是基于当今电子电路仿真中占主导地位且应用最为广泛的SPICE仿真器建立的，并且通过不断地将最新技术引入该模拟和混合信号的仿真器中使性能得到了不断地提高。另外，该软件的模型库中包含了大量开关电源常用的半导体器件，如二极管、IGBT、功率 MOSFET 和磁性元件的模型，可以说是目前最好的开关电源技术和相关应用领域的仿真器。第2章 仿真软件OrCAD/PSpice2.1 OrCAD/PSpice的发展历史及其特点SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）是一种通用的电子电路仿真软件包， 1972 年由美国加州大学伯克莱分校计算机辅助集成电路设计小组开发，主要用于大规律集成电路的计算机辅助设计，是应用最为广泛的电子电路设计软件之一。它利用设计人员易于掌握和应用的电路描述语言对电路的结构、参数以及希望分析的电路特性进行描述，其后根据用户设置条件的电路进行仿真，并根据计算结果验证所设计电路的可行性。PSpice 则是由美国 MicroSim 公司于 1984 年在 SPICE-2G 版本基础上加以改进以适合PC 使用的 SPICE 版本。它在 PSpice6.0 及以上的版本采用了图形界面，更进一步方便了用户的使用。1998 年 OrCAD 公司并购了 MicroSim 公司，经过重新集成的 OrCAD/PSpice 软件系统结构如图2-1所示，主要包括作为前处理的OrCAD Capture组件，用于电路原理图的设计、仿真参数的设置以及产生电网络连接表（Netlist）；仿真器OrCAD Pspice用于根据上述网络图2-1 OrCAD软件系统结构图连接表对电路进行仿真验证。一旦设计的原理图通过验证，就可以进入后续的Layout Plus程序进行印制电路板版图设计，或进入 Express 进行可编程逻辑器件（PLD）的设计。随后该公司又被Cadence设计系统公司（Cadence Design Systems Inc.）收购。本书所有举例均基于该公司2005年推出的15.7版说明书。OrCAD作为PSpice 8的改进引进了Top-Down的设计理念，为设计者提供了一个基于原理图或 VHDL 文件的电路设计、FPGA 和 CPLD 综合设计到数字、模拟、数模混合仿真，直到印制板设计的整体解决方法。PSpice的主要优点包括：● 具有模/数混合仿真功能，可以利用文本和原理图两种输入形式进行由数字和模拟元件构成的混合系统设计，这是大多数仿真器不能做到的。当采用原理图作为输入时，该软件在电路设计中的作用相当于一个软件面包板，从而大大提高了设计效率和节约了开发成本。● 数模混合仿真程序现在提供的仿真模型库包括常用的模拟器件、数字器件的模型及包括精确的传输线、磁心模型在内的总数达 3 万以上的内建模型。此外，它还可以通过其 CIS 组件从互联网站点上下载新的器件模型，从而帮助用户有效地改进设计和降低成本，用更少的时间设计出更好的电路。● PSpice 具有大量的模拟功能模型和系统分析功能。其中，模拟功能模型使用户可以用类似于传递函数框图的方法来对复杂的电路进行时域或频域分析；而其电路基本分析功能，如直流、交流和瞬态分析，蒙特卡洛，最坏情况/灵敏度分析以及参数扫描，优化和波形分析等功能使用户可从不同的角度对设计的电路进行分析和研究，以优化设计。● 软件允许用户通过使用参数、拉普拉斯函数与状态方程等建立用户自己的模型。所有上述功能为其在电力电子电路仿真中的应用提供了可能。但是，当应用于电力电子领域时PSpice的缺点也是明显的：● SPICE 软件最初是为信息电子电路设计用的，因此器件的模型均是针对小功率电子器件的。对于模拟电力电子电路中所用的大功率电力电子器件中存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能会导致错误的结果。● 收敛问题是将该软件用于电力电子电路仿真的主要问题。通常为了改善计算结果的收敛性需要修改仿真条件，如缩小仿真结果的相对精度（RELTOL）和加大迭代次数（ITLn），即以加大仿真时间为代价来提高计算的稳定性。但由于它的性能价格比较高，在我国的电力电子仿真应用中仍是应用最广泛的软件之一。2.2 OrCAD仿真软件的主要模块图2-2所示为OrCAD 15.7项目管理器用户界面，其中列出了主要的功能模块。由于近年来出版的大量关于 OrCAD 的书籍对其进行了介绍，本节仅对在开关电源仿真中用到的数模混合仿真模块进行简单介绍，而对其他功能，如印制板（PCB）设计和布线模块等则不再讨论，感兴趣的读者可以参考有关书籍。图2-2 OrCAD 15.7项目管理器用户界面2.2.1 OrCAD CAPTURE CIS—电路原理图设计模块OrCAD CAPTURE CIS模块的主要功能是生成各种类型的电路设计原理图。图2-3所示为项目管理（Project Manager）窗口，窗口右侧为页面编辑器（Page Editor），用于建立电路原理图，并对其进行仿真；左侧为资源表，见图 2-3（b），用于显示该项目包括对所有资源，如原理图设计文件（Design Files）、元件库、网络连接表、PSpice资源文件和其他相关文件。通过选择 Place 中 15 条子命令或窗口右侧的绘图工具按钮调用所需的元器件，并按一定的方位放置在电路图的适当位置，然后通过连线即可生成所设计的电路原理图。图中所示为一个采用乘法器的高功率因数直-直变换器的主电路原理图。如果在所需观测的地方设置电压、电流和功率探头，可在程序运行的同时（或运行后）观察该点相应变量的波形。①设计资源文件夹（Design Resources）包括设计文件夹和库文件夹两部分。每个项目通常包括一个设计（DSN），但可能包括多个页面或子文件夹。设计文件夹（hpf.dsn）由原理图子文件夹（HPF），包含原理图页面（PAGE），可以通过点击进入相应的原理图页面进行编辑和存储文件夹（Design Cache），其中列出原理图中采用的所有器件清单。库文件夹（Library）列出设计中所涉及的元件属库及其地址。②输出文件夹（Outputs）中包括两类输出文件，即设计规则检查（DRC）文件 *.drc和网络连接表（NETLIST）文件 *.net。③ PSpice资源文件夹（PSpice Resources）中包括引用文件（Include Files）、模型库（Model Library）、仿真简表（Simulation Profiles）和激励文件（Stimulus Files）。CAPTURE CIS与其他电路图绘制软件一个明显的区别就是它包括一个元器件信息系统CIS（Component Information System），其结构如图2-4所示，应用时可以通过原理图编辑器中的“Place/Database Part”子菜单或“Edit/Link Database Part”子菜单进入。该模块不但可以用于对元器件的使用和存储实施管理，同时还具有互联网元器件辅助服务 ICA （ Internet Component Assistant）功能，可以通过Internet从指定网点提供的数据库中查阅各种元器件信息，并根据需要，将所查到的元器件模型应用到电路设计中或添加到OrCAD的元器件库中。图2-3项目管理（Project Manager）窗口图2-4 CIS系统结构图图 2-5 所示为一个典型的 CIS 浏览器窗口，包括元器件类型浏览窗、元器件图形符号窗、元器件封装外形图窗、元器件属性浏览窗和器件数据服务器窗。通过窗口底部的按钮可以选择连接本地元器件数据库（Local Part Database）或互联网元器件辅助服务 CIS模块，切换到CIS时软件将自动与Internet连接。其中器件数据服务器CDS（Component Data Server）表中包含器件的分类、零件号、类型、数值、性能描述、封装形式、厂家、供应商、价格、供货状况和联系网址等。所以一旦用户采用新的器件，除可从本地数据库中选择外，还可以从网上直接下载器件模型，进行仿真研究以及联系订货。电路图绘制完成后，通常需要进行包括元器件自动命名（ Annotate ）、设计规则检查DRC（Design Rules Check）和生成供不同CAD软件包括仿真软件PSpice，以及印制板设计软件Layout调用的电网络连接表（Netlist）等后处理。电路的电网络连接表可以通过选择项目管理器“PSpice”窗口中的“View Netlist”得到。下面是采用了典型的PSpice固定格式语言的电网络连接表清单：图2-5 CIS浏览器窗口上述电网络连接表通过描述电路中采用的所有元器件的种类、属性、参数及相互之间的连接关系，为 Capture 和其他 CAD 软件之间的数据交换提供了接口。实际应用中，由于Capture 集成在统一的 OrCAD 软件包中，因此在完成电路图设计后可以直接调用 PSpice 进行系统仿真，后处理则在调用过程中自行完成。2.2.2 PSpice A/D—数模混合电路仿真器数模混合电路仿真器PSpice A/D的主要功能是利用作为图形编辑器的Capture生成的网络连接表或采用固定格式语言形成的文本形式的电路文件 *.cir，作为程序输入对电路进行仿真，其仿真计算结果存储为 .dat文件，并可利用波形观察程序Probe进行显示。在电路图进行仿真之前需确定分析目的，此时通过选择仿真参数文件“PSpice\Edit Simulation Profile”，打开图2-6所示的参数设置（Setting）窗口，以确定计划进行的仿真类型。PSpice可以对电路进行如下分析：交流扫描（AC Sweep/Noise），即通过扫频研究频响特性；直流（DC Sweep），即电路静态工作点和初始条件分析；时域瞬态（Time Domain （Transient）），即对系统的动态过程利用数值积分将状态方程转化为非线性代数方程再用牛顿-拉夫逊法求解；偏置点（Bias Point）四类基本类型分析。图2-6表示对系统仿真的类型确定为时域瞬态分析（Time Domain（Transient）），仿真时间为40ms，仿真结果如图2-7所示。图2-6 仿真参数设置窗口仿真结束后，会产生一个输出文件，其中包括仿真的电路的结构、参数和主要结果；如果仿真失败，文件中还将列出失败原因及失败时的系统参数，帮助用户分析原因。文件分为两大部分，一部分为程序部分，包括网络连接表、别名描述体和程序中存在问题；另一部分为仿真环境，包括主要器件参数、初始值、电路功耗、计算机时和运行中发生的问题。上述分析通常默认是在电路元器件均采用标称值，即在参数选择（Option）窗口中选择综合设置（General Setting）条件下进行。但程序也可通过选择对电路中某些参数在一定范围内进行相应地调整，并根据上述基本分析方法在不同参数下的仿真结果，来确定该参数的最优值。可以选择的方法包括参数扫描（Parametric Sweep）、温度扫描（Temperature Sweep）、蒙特卡洛和最坏条件分析（Monte Carlo/Worst Case，即对容差分析）、偏置点设置（Bias Point）等。图2-7 HPF变换器的仿真结果下面以一个系统参数分析的例子说明如何设置分析模式。图 2-8（a）所示为用页面编辑器绘制的典型串联谐振变流器主电路。为了研究谐振电容的容量变化对响应的影响，采用OrCAD 中的参数扫描功能对系统参数的影响进行分析。将需要扫描的电容 C1 的值用参数{cvar}来描述，并选择 Special 库中的参数元件“Parameters”赋以初值。打开仿真参数设置窗口，如图2-8（b）所示，选择参数扫描（Parametric Sweep）将电容作为全局扫描变量对其扫描范围进行设置。然后和通常一样进行仿真，多次仿真结果的时域波形如图 2-8（c）所示。图2-8 典型串联谐振变流器仿真应用中往往希望通过相平面图了解状态变量之间的关系，此时需要改变横轴的变量，为此可选择按钮“Plot”中的坐标轴设置（Axis Settings），如图2-9所示。图2-9坐标轴设置（Axis Settings）窗口通常仿真时X轴变量的默认值为时间，为了绘制相平面图，需将其改为电感中的电流I （L1），图形自动变为图 2-10 所示的相平面图。显然，随着串联谐振电容容量的增大，电容两端的谐振电压幅值降低，而当容量大到一定程度时，系统会停振。试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]