LTspice軟件在“電力電子技術(shù)”教學(xué)改革實(shí)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(dòng)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(dòng)化專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，是一門(mén)實(shí)用性、工程性和綜合性很強(qiáng)的課程[1]。隨著新型電力電子器件、電路拓?fù)浣Y(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(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生對(duì)本課程的理解程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程的開(kāi)展。以王兆安、劉進(jìn)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(shí)面廣，電路工作原理分析多 、工作波形多等特點(diǎn)。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(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)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(shí)驗(yàn)課。但是實(shí)驗(yàn)設(shè)備 、器材 、經(jīng)費(fèi) 、場(chǎng)所和人員等的限制，不可能就所有的電路都去做實(shí)驗(yàn)；而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)器件損壞，影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，也使學(xué)生增加了負(fù)擔(dān)，往往在實(shí)驗(yàn)中放不開(kāi)，只求記錄波形 、數(shù)據(jù)，因此實(shí)驗(yàn)效果不好[2]。因此， 針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)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(jìn)行了探討與改革。文獻(xiàn)[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(guò)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(xiàn)[8～10]是通過(guò)做項(xiàng)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(shí)實(shí)用化。如果所有的變換器都以項(xiàng)目形式來(lái)做，實(shí)施起來(lái)困難較大。另外，還有一種方案，就是針對(duì)某一種變換電路在教學(xué)方法上進(jìn)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(shí)際器件，可以模擬硬件電路的設(shè)計(jì)[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(mén)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(wèn)題能力。

1 LTspice 仿真軟件簡(jiǎn)介

LTspice是凌力爾特公司 (Linear Technology Corporation)推出的功能強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及仿真軟件，具有集成電路圖捕獲和波形觀測(cè)功能[13]。通過(guò)這款軟件，使用者可以快速地制作電路仿真圖，還可以通過(guò)其他的原理圖程序來(lái)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(shí)際模型，使得仿真結(jié)果更接近于實(shí)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(shí)與實(shí)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(shí)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(jì)

讓學(xué)生利用所學(xué)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)電源。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源過(guò)程中會(huì)遇到很多問(wèn)題，可以鍛煉學(xué)生的解決問(wèn)題能力。培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考、積極解決問(wèn)題，給他們自由發(fā)揮空間，不要過(guò)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(jì)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(kāi)關(guān)頻率fs=100kHz。

在搭建仿真模型之前，讓學(xué)生做些準(zhǔn)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，兩端承受的電壓為Vout，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)的最大電流為輸入電流的最大值, 留有一定余量，選取實(shí)際器件型號(hào)為Cree公司的C3M0065100K(1000V, 35A)[15]。二極管關(guān)斷時(shí)，兩端承受的電壓為Vout，二極管導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)的最大電流為輸入電流的最大值，留有一定余量，選取實(shí)際器件型號(hào)為C4D20120A[16]。

2) 計(jì)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(shí)例參數(shù)，求得占空比 ，導(dǎo)通時(shí)間為

(2)

3) 輸出電感和電容設(shè)計(jì)(擴(kuò)展內(nèi)容)

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

2.2 搭建仿真模型

仿真模型如圖2所示，其設(shè)計(jì)步驟如下：

圖2 仿真模型

(1) 打開(kāi)LTspice XVII軟件，點(diǎn)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(jì)要求，從元件庫(kù)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(fù)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(diǎn)擊元器件并命名與模型數(shù)據(jù)相同的名字來(lái)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(diǎn)擊run按鈕即可開(kāi)始模擬電路運(yùn)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(jì)要求，開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，占空比為0.5，如圖3(a)所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。理論輸出電壓值為240V，實(shí)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(shí)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(dòng)信號(hào)

(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(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓波形圖3 相關(guān)仿真波形

2) 開(kāi)關(guān)管狀態(tài)與電感電流之間的關(guān)系

開(kāi)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(zhǎng)；功率管關(guān)斷，電感電流線性減小。

圖4 開(kāi)關(guān)管狀態(tài)與電感電流仿真波形

3) 效率分析

設(shè)計(jì)中，輸出功率理論值為2kW，實(shí)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(huì)問(wèn)為什么呢？或者教師提出問(wèn)題，讓學(xué)生去思考。這個(gè)問(wèn)題就涉及到變換器效率問(wèn)題，也就引出了器件損耗問(wèn)題。抽絲剝繭，把所有問(wèn)題引出來(lái)，讓學(xué)生積極參與進(jìn)去，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，既提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，又調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 結(jié)語(yǔ)

將LTSpice仿真軟件引入教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，使課堂教學(xué)更生動(dòng)、有趣。學(xué)生通過(guò)搭建仿真模型，掌握了如何設(shè)計(jì)電路；通過(guò)仿真結(jié)果，可以很直觀地觀測(cè)電路中任意點(diǎn)的波形，分析電路的工作狀態(tài)及原理。通過(guò)教師演示和學(xué)生親自動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試，學(xué)生可以更好地掌握所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(bǔ)償了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中因硬件設(shè)備條件、使用時(shí)間所受的限制。