Saber仿真在Buck電路結構推導教學中的應用

摘 要：在電力電子技術的仿真過程中，采用Saber仿真軟件可以使教學過程更為生動直觀。本文首先闡述了采用Saber仿真軟件進行輔助教學的必要性，然后通過對仿真波形的分析，逐步對Buck降壓電路的結構進行推導，教學過程生動直觀，對教學質量的提高有明顯的促進作用。

關鍵詞：Saber Buck 仿真

中圖分類號：G43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0195-02

《電力電子技術》是電氣類學生普遍反映比較難的一門課程，其原因主要在于：一方面電路拓撲結構較多且復雜；另一方面是由于器件工作狀態不斷變化，導致電路工作狀態較多，使得電路工作波形復雜，學生理解起來較為困難。課件的引入，再加上動畫演示，能夠幫助學生理解各工作狀態的波形，但是在教學過程中仍然顯得過于理論化，與實踐相脫節，很難達到理想的教學效果。引入仿真軟件教學后，教師可以在仿真中一邊搭建電路，一邊針對電路的構成進行講解，并對各項參數進行修改，仿真后讓學生觀察工作波形的變化情況，學生對各項參數設計的理解將更為深刻。同時，學生參與到仿真分析中，增加了教學的互動性，同時提高了學生學習的積極性[1]。

Saber是1987年由Analogy公司推出的一款仿真軟件，到現在已有二十多年的歷史[2]。它主要用于混合信號和混合技術領域的仿真驗證，主要分為三個部分：SaberGu

ide、SaberSketch和SaberScope。SaberSketch主要用于繪制電路圖，而SaberGuide用于仿真控制，仿真結果可在SaberScope查看。與其他仿真軟件相比，Saber具有以下特點：（1）器件庫豐富。它包含了各種元器件的理想模型，以及各大公司生產的常用芯片模型。（2）分析功能全面。它既包含了DC工作點分析、時域分析、頻域分析等基本分析功能，還包含溫度、參數靈敏度、蒙特卡諾、噪聲等各種高級分析功能。（3）數據處理能力強大?？梢宰杂傻膶Ψ抡娼Y果數據進行各種分析和比較乃至運算。因此Saber仿真軟件在電力電子仿真中應用非常廣泛，將其與電力電子技術教學相結合，將更有助于加強學生對電路工作原理的理解。

1 采用Saber仿真軟件教學的必要性

直流變換電路與電力電子技術中其他變換電路相比，結構相對簡單，可以作為電力電子技術的入門教學部分。與在模擬電子技術中所學的線性電源不同，電力電子技術中的直流變換電路采用電力電子器件作為開關管使用，電路分為開關管開通和關斷兩種狀態，同時電路采用電感、電容作為濾波或者能量緩沖元件。多種工作狀態，以及元器件的多種功能，使得直流變換電路雖然較為簡單，但是對于學生來講，入門分析卻較為復雜。Buck變換器即降壓變換器，是直流變換電路中最簡單的一種，其電路中所用到的元器件在其他更為復雜的電路中也有相同的應用，因此Buck變換器是研究直流變換電路的基礎。采用Saber仿真軟件逐步對Buck電路結構進行推導，可以加強理解各元器件所起的作用，掌握分析其工作原理的方法，為相關電路的進一步分析打下基礎。

另外，在電力電子系統設計的過程中，將設計后的技術指標與數據搭建成仿真電路，由于和實際電路參數一致，其得出的仿真結果與實際電路運行結果基本一致，因此仿真軟件經常用來驗證設計是否正確，以避免重復實驗所造成的浪費，所以目前在電力電子行業中，無論是設計還是研發，都要用到仿真軟件進行輔助設計。從這方面考慮，在電力電子技術教學中加入仿真軟件的教學，可以加強學生理論和實踐相結合的能力，提高學生進入社會后的競爭力。

2 基于Saber的Buck電路結構推導

要實現直流降壓變換，最簡單的方式莫過于在電路中加入開關管，通過對開關管的周期性控制，來減少電源輸送到負載的能量，從而使輸出電壓的平均值降低[3]。仿真電路如圖1（a）所示，電源電壓為DC24V，開關管驅動波形周期為T=20μs，占空比D=0.5，即開關管每個周期導通時間ton=10μs。仿真結果如圖2（a）所示，顯然輸出電壓Vo的波形與驅動波形相似，為矩形波，其平均值為12V。這種矩形波雖然是直流電壓，但是含有大量的交流分量，不適合用于對電壓紋波要求較高的場合，因此為減小紋波必須加入濾波器。一般針對電壓紋波，可采用電容器進行濾波。我們在仿真電路中的負載上并上470μF的電容，如圖1（b）所示，仿真后的波形如圖2（b）所示，顯然輸出電壓的交流分量被濾除，只剩下直流分量，近似于恒定的直流電壓，其大小為原波形的平均值Vo=DVin=12V。但是，由于輸入電壓與輸出電壓不相等，開關管的通斷必然引起電容上電壓的突變，導致電容產生很大的充放電流，引起電流尖峰。由仿真結果可以看出，開關管上的電流尖峰為輸出電流的5倍以上，很容易導致開關管的損壞。為了抑制電流尖峰，保護開關管，可以考慮在電路中串入能夠抑制電流變化的電感元件。我們在仿真電路的開關管上串入100μH的電感，如圖1（c）所示。仿真后的波形如圖2（c）所示，可以看出電路中的電流尖峰減小到了開關管可承受的范圍。但這樣，電路是否就能正常工作了呢，我們觀察開關管DS兩端的電壓可以發現，它大大超過了開關管的耐壓值。其原因是串入電感后，由于開關管的通斷，造成流過電感的電流突變，電感的感應電壓與輸入電壓相疊加后加在開關管DS兩端，造成電壓尖峰，開關管瞬間擊穿損壞。然而此時不能再并入電容對電壓尖峰進行抑制，否則會循環產生電流尖峰，因此在開關管關斷時，必須為電感電流提供續流路徑，而在開關管開通時此路徑必須關斷，即該路徑必須具有單向導電性，由此，我們可以選擇并入二極管，并且方向為陰極朝上。修改后的仿真電路如圖1（d）所示，這就是Buck變換器完整的電路結構。電路的工作波形如圖2（d）所示，電路正常工作。通過以上的分析可以得出主要元器件的作用。

開關管主要用來控制能量的輸送，開關管在一個周期內開通時間越長，負載得到的能量越多，輸出電壓越高，反之則輸出電壓越低。

電容主要用于濾波，保證輸出電壓的平穩。

電感用于緩沖能量，抑制電容產生的電流尖峰。

二極管為電感電流提供續流通路。

另外，若需進一步抑制開關管和二極管上的電壓尖峰，可以繼續引入RCD緩沖電路的教學。

以上的仿真實例可以清楚的演示出Buck電路的推導過程，通過對工作波形的分析，逐步加入所需的元器件，有效的加強了學生對各元器件功能以及電路工作原理的理解。

3 結語

通過教學實踐，我們可以發現，在電力電子技術教學過程中采用Saber仿真軟件，對電路結構進行逐步推導，能夠使分析過程更為直觀，其工作波形的變化使各元器件的作用一目了然，教學過程更為形象有趣，學生的學習和參與的積極性被充分調動起來，在學習的過程中學生也能主動設計電路，加強了理論和實踐相結合的能力，為以后的學習和工作打下堅實的基礎。

參考文獻

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

[2] 丘東元，眭永明，王學梅，等.基于Saber的“電力電子技術”仿真教學研究[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：81-84.

[3] 張興，黃海宏.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2010.