Saber軟件在“電力電子裝置及技術”教學中的應用

摘要：為了提高“電力電子裝置及技術”課程的教學效果，將Saber仿真軟件應用于教學過程中。通過對Saber仿真軟件在雙管正激變換器中的案例教學，學生掌握了所學電力電子裝置的工作原理、參數設計過程以及如何采用Saber仿真軟件驗證參數設計的正確性。通過上述仿真教學，提高了教學效率，激發了學生學習電力電子裝置的興趣，具有良好的教學效果。

關鍵詞：電力電子裝置；Saber仿真；變換器；實踐教學

作者簡介：姚志壘（1981-），男，江蘇溧陽人，鹽城工學院電氣工程學院，副教授。（江蘇#8194;鹽城#8194;224051）

基金項目：本文系鹽城工學院2013年度校級教改研究項目（項目編號：32）的研究成果。

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）14-0071-02

“電力電子裝置及技術”是電氣工程及其自動化專業的一門專業選修課。[1]該課程重點講解常用電力電子裝置的工作原理、參數設計及其需要解決的共同技術問題。[2]仿真和實驗是驗證電力電子裝置工作原理與參數設計正確性的兩種常用手段。由于課時及實驗裝置資源的限制，學生不可能將各種電路的實驗結果都做驗證，因此用仿真的方法不僅可以初步驗證電路原理和參數設計的正確性，還能仿真試驗極限條件下的特殊情況，從而有效地減少電力電子裝置的設計費用，縮短電力電子裝置的設計周期，優化參數設計，提高裝置的可靠性。[3]

Saber仿真軟件是美國Synopsys公司開發的一款系統仿真軟件，為復雜的混合信號設計與驗證提供了一個功能強大的混合信號仿真器，兼容模擬、數字、控制量的混合仿真，可以解決從系統開發到詳細設計驗證等一系列問題。[4]電力電子裝置是由控制電路、保護電路、驅動電路和主電路等組成的混合信號系統，因此，Saber軟件非常適合“電力電子裝置及技術”課程的輔助教學。本文將以工業界廣泛應用的雙管正激變換器為例，詳細介紹Saber軟件在“電力電子裝置及技術”課程教學中的應用。

一、雙管正激變換器的工作原理

圖1是雙管正激變換器的電路圖，其中，Uin是輸入電壓，S1和S2為開關管，D1～D4為二極管，NP和NS分別為變壓器的原邊繞組和副邊繞組，L1為濾波電感，iL為流過濾波電感L1的電流，C1為濾波電容，RL是負載，Io為輸出電壓，Uo為輸出電壓。

當S1和S2閉合時，電源通過變壓器向負載傳遞能量，D1和D2承受反壓截止，且承受的電壓都為Uin，二極管D3導通，D4截止且承受的電壓為變壓器副邊電壓，iL線性上升；當S1和S2關斷時，S1和S2承受的電壓都為Uin，變壓器通過D1和D2磁復位，濾波電感L1通過D4續流，D3截止且承受的電壓為變壓器副邊電壓，iL線性下降。

二、電路主要參數設計

設雙管正激變換器工作在電感電流連續模式，其主要技術指標為：輸入電壓Uin為220～340VDC，輸出電壓Uo為14V，開關頻率fs為200kHz，輸出功率Po為300W，最大占空比dmax為0.47。

1.變壓器變比設計

由濾波電感伏秒平衡可知，變換器輸入輸出電壓關系為：

（1）

為了在規定輸入電壓和占空比范圍內輸出所要求的電壓，變壓器變比應按最低輸入電壓Uin(min)和最大占空比dmax選取。

（2）

由式（1）可知，原副邊匝比太小會導致占空比太小，從而會降低效率和提高副邊整流二極管的電壓應力。因此，取變壓器原副邊變比為7。

2.濾波電感設計

由輸出功率Po和輸出電壓Uo可得輸出電流Io為：

（3）

濾波電感電流脈動ΔiL通常取Io的20%，可得濾波電感L1為

（4）

由式（1）可知，在變壓器變比確定后，占空比d隨Uin的變化而變化，因此，為了保證在整個輸入電壓范圍內ΔiL都不大于Io的20%，式（4）中的d應取最小值。將數據代入式（1）和（4）可得L1為11.63μH。

3.濾波電容設計

輸出電壓脈動ΔUo取Uo的0.8%，從而可得C1為：

（5）

為了保證在整個輸入電壓范圍內ΔUo都不大于Uo的0.8%，式（5）中的ΔiL應取最大值，即Io的20%，將數據代入式（5）可得C1為24μF，取25μF。

三、仿真驗證

為了驗證上述參數設計的正確性，采用Saber軟件進行仿真驗證。具體步驟如下：首先搭建仿真電路圖，其次設置仿真參數并仿真，再次運用CosmosScope查看并導出所需仿真波形，最后分析仿真結果。

1.搭建仿真電路圖

搭建仿真電路圖的具體步驟如下：一是啟動Saber Sketch應用程序；二是從Parts Gallery選擇相應的元件放至Schematic編輯區中，設置輸入電源電壓、開關管驅動信號、變壓器變比、濾波電感、濾波電容和負載中的相關參數；三是保存仿真電路圖，最終得到所搭建雙管正激變換器的仿真電路圖，如圖2所示。

此外，搭建仿真電路圖過程中需要注意以下事項：一是設置仿真參數時，變量不用寫單位；不區分大小寫；希臘字母μ用字母u代替；兆不能用M，而應用meg，否則表示為毫。如濾波電容25μF應寫為25u。二是仿真電路圖必須放置Ground地線符號，否則無法進行仿真。三是仿真電路圖只能以英文或數字命名，并且只能保存在以英文或數字命名的文件夾中。

2.設置仿真參數

設置仿真參數的具體步驟如下：一是在工具欄中點擊時域瞬態分析（Time Domain Transient Analysis）按鈕。二是在彈出的對話框中選擇Basic標簽，設置結束時間（End Time）、步長（Time Step）、開始時間（Start Time），其中開始時間通常取默認值，結束時間和步長根據開關頻率和系統穩定所需時間而定。本文取結束時間為2ms，步長為100ns。注意：在設置仿真參數時時間的單位“s”應省略。三是選擇Plot After Analysis下拉菜單中的Yes-Open Only，該選項表示仿真結束后自動打開CosmosScope。四是單擊Ok按鈕進行仿真。

3.查看并導出仿真結果

在打開的CosmosScope中，選擇所要查看的波形，選擇File菜單中的Export Image選項，導出所需要的仿真波形。圖3和圖4分別是輸入電壓為220V和340V時的仿真波形圖，其中，iL為濾波電感電流，Uo為輸出電壓。

4.分析仿真結果

由圖3和圖4可知，220V輸入電壓下的ΔiL和ΔUo比340V輸入電壓下的小。主要原因在于：由式（1）可知，在輸出電壓和變壓器變比確定的情況下，輸入電壓較低時占空比較大，然后由式（4）可知，較大占空比對應的ΔiL較小，再由式（5）可知較小ΔiL對應的ΔUo也較小。此外，由圖3和圖4可知，ΔiL在整個輸入電壓范圍內都不大于Io的20%，即4.286A；ΔUo在整個輸入電壓范圍內都不大于Uo的0.8%，即0.112V。因此，仿真結果驗證了參數設計的正確性。

上述分析是從定性的角度驗證參數設計的正確性，下面從定量的角度驗證參數設計的正確性。將已知參數代入式（1）、（4）和（5）可得，輸入電壓為220V時ΔiL和ΔUo分別為3.3378A和0.08345V；輸入電壓為340V時ΔiL和ΔUo分別為4.286A和0.1071V。由圖3和圖4可知，仿真情況下，輸入電壓為220V時ΔiL和ΔUo分別為3.2784A和0.08648V；輸入電壓為340V時ΔiL和ΔUo分別為4.2748A和0.1105V。由上述數據可知，仿真結果與理論分析基本一致。存在細微區別的主要原因在于：仿真中考慮了開關管和二極管的導通壓降，仿真模型中C1考慮了0.002Ω的等效串聯電阻（Equivalent Series Resistor，簡稱ESR）。因此，仿真結果驗證了參數設計的正確性。

四、結束語

在學生掌握電力電子裝置工作原理的基礎上，指導學生根據電路技術指標運用所學理論知識設計相關參數，再運用Saber仿真軟件分別通過搭建仿真電路圖、設置仿真參數、查看并導出仿真結果和分析仿真結果對設計參數進行仿真驗證的教學方法，具有直觀、真實和形象等特點，使理論與實際聯系更緊密。通過上述仿真教學，使得學生對教學內容有了更深刻的理解與認識，進一步激發了學生學習的積極性，為學生以后畢業設計、攻讀研究生和工作奠定了良好的基礎。

參考文獻：

[1]陳仲.“電力電子裝置及控制”課程教學設計的研究與探索[J].電氣電子教學學報，2008，(S1).

[2]葉斌.電力電子應用技術[M].北京:清華大學出版社，2006.

[3]楊蔭福，段善旭，朝澤云.電力電子裝置及系統[M].北京:清華大學出版社，2012.

[4]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，(2).

（責任編輯：王意琴）