本文關(guān)鍵詞：電力電子電路仿真軟件綜述，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

電力電子電路仿真軟件綜述

發(fā)表時(shí)間：2011/6/1

本文在介紹設(shè)計(jì)電氣工程電路和系統(tǒng)的有效手段——仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹幾款在當(dāng)前業(yè)界流行的幾種電力電子仿真軟件，并對(duì)比分析各仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況。

l 引言

    計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路 ( 或系統(tǒng) ) 的分析和設(shè)計(jì)中。計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮�似處理中帶�?lái)的較大誤差，還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度地降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期�？梢哉f(shuō)，電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程 。本文在介紹設(shè)計(jì)電氣工程電路和系統(tǒng)的有效手段——仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹幾款在當(dāng)前業(yè)界流行的幾種電力電子仿真軟件，并對(duì)比分析各仿真軟件的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用情況。

2 仿真是設(shè)計(jì)電氣電路和系統(tǒng)的有效手段

    電氣工程電路及其組成的系統(tǒng)主要功能是能源變換、傳遞過(guò)程的控制。要變換的是電力形態(tài)，控制方法靠電子線路。電力與電子結(jié)合形成了電力電子學(xué)科，它是一個(gè)較為年輕的學(xué)科。也是多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。電力本質(zhì)是能源，有相當(dāng)慣性，控制它的是電子線路，有相當(dāng)快速性，兩者構(gòu)成系統(tǒng)，尤其形成閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，用自動(dòng)控制術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)屬病態(tài)系統(tǒng)，意即有不易解決的穩(wěn)定性方面的問(wèn)題 。這樣的系統(tǒng)品質(zhì)在 20 世紀(jì) 80 年代中后期有了飛速的提高。究其原因則是借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。

    在使用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真時(shí)，選擇合適電路設(shè)計(jì)軟件會(huì)使該問(wèn)題得到一定的解決，前段時(shí)間的軟件多是解決線性、連續(xù)工作的穩(wěn)態(tài)電路。本文介紹的軟件，既可解決線性電路，也適合非線性電路；既可解決模擬電路，也適合數(shù)字電路；既可解決連續(xù)狀態(tài)工作問(wèn)題，也適合不連續(xù)狀態(tài)工作的問(wèn)題；既可解決連續(xù)穩(wěn)定工作電路，也適合開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)的啟動(dòng)工作電路。總之，電氣工程電路均可仿真。仿真時(shí)，要讀取電路中任何一點(diǎn)電流、任何兩點(diǎn)間的電壓都很容易，還可以進(jìn)行頻率響應(yīng)、頻譜分析、溫度分析、參數(shù)變化分析、蒙特卡羅分析、最壞情況分析、噪聲分析等等。可以說(shuō)，后面幾種分析在面包板實(shí)驗(yàn)中是無(wú)法模擬進(jìn)行的，加之，仿真軟件是在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，所以有使用方便、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

    電力電子學(xué)科近年發(fā)展形成了能源電子學(xué)科。所謂能源電子學(xué)科，除電力電子學(xué)科內(nèi)容外，還應(yīng)考慮材料、環(huán)境、可靠性、管理等方面的問(wèn)題，才能解決好能源轉(zhuǎn)換問(wèn)題 。由此可見(jiàn)，如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有充分利用計(jì)算機(jī)處理綜合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可見(jiàn)一斑。

3 電力電子電路仿真軟件

    3.1 PSpice 仿真軟件

    PSpice 是由美國(guó) Microsim 公司在 spice 2G 版本的基礎(chǔ)上升級(jí)并用于 PC 機(jī)上的 Spice 版本，其中采用自由格式語(yǔ)言的 5 ． 0 版本自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從 6 ． 0 版本開(kāi)始引入圖形界面。 1998 年著名的 EDA 商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商 0RCAD 公司與 Microsim 公司正式合并，自此 Microsim 公司的 PSpice 產(chǎn)品正式并入 0RCAD 公司的商業(yè) EDA 系統(tǒng)中。

    現(xiàn)在使用較多的是 PSpice 8 .0 ，工作于 Windows 環(huán)境，占用硬盤空間 60M 左右，整個(gè)軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵(lì)編輯、元器件庫(kù)編輯、波形圖等幾個(gè)部分組成，使用時(shí)是一個(gè)整體。

    但各個(gè)部分都各有各的窗口。與傳統(tǒng)的 spice 軟件相比， PSpice 在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析。

    最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δ�擬電路進(jìn)行仿真，而且能夠?qū)��?shù)字電路、數(shù)�；旌想娐愤M(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果 。

    PSpice 的應(yīng)用范圍很廣，電力電子電路的動(dòng)態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一。 PSpice 的電路元件模型反映實(shí)際型號(hào)元件的特性，通過(guò)對(duì)電路方程運(yùn)算求解，能夠仿真電路的細(xì)節(jié)，特別適合于對(duì)電力電子電路中開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程的描述。它的仿真波形與試驗(yàn)電路的測(cè)試結(jié)果相近，在模擬實(shí)際電路的波形方面比較準(zhǔn)確，對(duì)電路設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)意義。

    雖然 PSpice 應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是也存在著明顯的缺點(diǎn)。由于 Spice 軟件原先主要是針對(duì)信息電子電路設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的，因此器件的模型都是針對(duì)小功率電子器件的，對(duì)于電力電子電路中所用的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。 PSpice 采用變步長(zhǎng)算法，對(duì)于周期性開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的電力電子電路而言，將造成把大量的時(shí)間耗費(fèi)在尋求合適的步長(zhǎng)上面，從而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)，輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式兼容性也不甚理想。 PSpice 的另一問(wèn)題是仿真的收斂性問(wèn)題。對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行仿真時(shí)，有時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較低。另外，在磁性元件的模型方面 PSpice 也有待加強(qiáng)。

    3 .2 saber仿真軟件

    Saber 是美國(guó) Analogy 公司開(kāi)發(fā)、現(xiàn)由 Synopsys 公司經(jīng)營(yíng)的系統(tǒng)仿真軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品，現(xiàn)已成為混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，這也是 Saber 的最大特點(diǎn)。 Saber 作為混合仿真系統(tǒng)，可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，便于在不同層面上分析和解決問(wèn)題，其他仿真軟件不具備這樣的功能 。

    Saber 仿真軟件是當(dāng)今世界上功能強(qiáng)大的電力電子仿真軟件之一，現(xiàn)從幾個(gè)方面對(duì) Saber 仿真軟件進(jìn)行介紹。

    (1)原理圖輸入和仿真

    Saber Sketch 是 Saber 的原理圖輸入工具，通過(guò)它可以直接 進(jìn)入 Saber 仿真引擎。在 Saber Sketch 中，用戶能夠創(chuàng)建自己的原理圖，啟動(dòng) Saber 完成各種仿真 ( 偏置點(diǎn)分析、 IX ：分析、 AC 分析、瞬態(tài)分析、溫度分析、參數(shù)分析、傅里葉分析、蒙特卡羅分析、噪聲分析、應(yīng)力分析、失真分析等 ) ，可以直接在原理圖上查看仿真結(jié)果， Saber Sketch 及其仿真功能可以幫助用戶完成混合信號(hào)、混合技術(shù) ( 電氣、液壓等 ) 系統(tǒng)的仿真分析。 Saber Sketch 中的原理圖可以輸出成多種標(biāo)準(zhǔn)圖形格式，用于報(bào)告、設(shè)計(jì)審閱或創(chuàng)建文檔。

    (2)數(shù)據(jù)可視化和分析

    Cosmos Scope 是 Saber 的波形查看和仿真結(jié)果分析工具，它的測(cè)量工具有 50 多種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量功能，可以對(duì)波形進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。它的專利工具——波形計(jì)算器，可以對(duì)波形進(jìn)行多種數(shù)學(xué)操作。 Cosmos Scope 中的圖形也可以輸出成多種標(biāo)準(zhǔn) 圖形格式用于文檔。

    (3)模型庫(kù)

    Saber 擁有市場(chǎng)上最大的電氣、混合信號(hào)、混合技術(shù)模型庫(kù)，它具有很大的通用模型庫(kù)和較為精確的具體型號(hào)的器件模型，其元件模型庫(kù)中有 4700 多種帶具體型號(hào)的器件模型， 500 多種通用模型，能夠滿足航空、汽車和電源設(shè)計(jì)的需求。 Saber 模型庫(kù)向用戶提供不同層次的模型，支持自上而下或自下而上的系統(tǒng)仿真方法，這些模型采用最新的硬件描述語(yǔ)言 (HDL) ，最大限度地保證了模型的準(zhǔn)確性，支持模型共享。

    (4)建模

    不同類型的設(shè)計(jì)需要不同類型的模型， Saber 提供了完整的建模功能，可以滿足各種仿真與分析的需求。其建模語(yǔ)言主要有 MAST 、 VHDL-AMS 、 Fortran ，建模工具包括 State-AMS 、 5 維的圖表建模工具 TLU ， Saber 可以對(duì) spice 、 Simnlink 模型進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，同時(shí) Saber 還擁有強(qiáng)大的參數(shù)提取工具，可以通過(guò)協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)模型復(fù)用。

    Saber 的混合信號(hào)、混合技術(shù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證能力已經(jīng)得到了業(yè)界的驗(yàn)證，功能強(qiáng)大的原理圖輸入、仿真分析、模型庫(kù)、建模語(yǔ)言、建模功能，再加上先進(jìn)的布局布線設(shè)計(jì)，使 Saber 成為業(yè)界工程師的首選。 Saber 的架構(gòu)和獨(dú)一無(wú)二的模型交換能力為市場(chǎng)提供了最為強(qiáng)大的仿真工具，能夠處理所有的仿真需求。與 PSpice 相比， Saber 是功能更為強(qiáng)大的仿真軟件，它可以仿真電力電子元件、電路和系統(tǒng)，不僅具有 PSpice 的功能，而且具有更豐富的元件庫(kù)和更精致的仿真描述能力，還能結(jié)合數(shù)學(xué)控制方程模塊工作。 Saber 還可以仿真電力傳動(dòng)、機(jī)械、熱力、流體等其他運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 Saber 的仿真真實(shí)性很好，從仿真電路到實(shí)際的電路實(shí)現(xiàn)，期間參數(shù)基本不用修改。與 PSpice 相仿， Saber 的數(shù)據(jù)處理量亦相當(dāng)龐大。 Saber 應(yīng)用的主要困難是操作較為復(fù)雜，軟件價(jià)格高昂，比較適合于大企業(yè)應(yīng)用，中小企業(yè)一般是通過(guò)委托研究、開(kāi)發(fā)來(lái)利用該軟件。

    3.3 Matlab 仿真工具包 Simulink

    目前，大型科學(xué)計(jì)算與仿真軟件 Matlab 已經(jīng)配備了電力系統(tǒng)工具包 (power system blockset) ，這使得 Matlab 可以用于電力電子仿真。power System 的仿真是基于 Matlab 的 Simulink 圖形環(huán)境，因而使用起來(lái)與 PSpice 一樣方便。 Simulink 是 Matlab 軟件包中最重要的功能模塊之一，是交互式、模塊化的建模和仿真的動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)。在電力電子領(lǐng)域，通常利用 Simulink 建立電力電子裝置的簡(jiǎn)化模型 ( 如基頻模型 ) 并連接成系統(tǒng)，即可直接進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和仿真。 Simulink 對(duì) C 語(yǔ)言代碼提供了很好的支持，而且既可以工作在交互式圖形環(huán)境下，也可以工作在 Matlab 指令語(yǔ)言模式的批處理模式下Matlab 是基于理想化功率元器件和功能模塊的仿真工具。Matlab 的強(qiáng)大數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，使得 Power System 的控制功能非常卓越，尤其是利用其他相關(guān)的工具包，電路可以實(shí)現(xiàn)極為細(xì)致控制而不需花費(fèi)很大的精力。使用 Matlab 的另外好處是：其數(shù)據(jù)處理十分有效、精細(xì)，運(yùn)行速度較快；其數(shù)據(jù)的格式兼容性十分好，便于數(shù)據(jù)的后處理與分析，尤其是控制特性的研究分析。

    缺點(diǎn)在于目前的Power System 是基于一般電路元件的模型以及數(shù)學(xué)模塊 ( 例如傳遞函數(shù) ) 來(lái)進(jìn)行仿真的，與實(shí)際元件的參數(shù)有差別，仿真的結(jié)果與實(shí)際電路有一定距離，其結(jié)果的參考意義主要體現(xiàn)在電路的總體與系統(tǒng)上。其中的開(kāi)關(guān)和控制單元大量使用了理想元件，其中的開(kāi)關(guān)控制器只要直接與開(kāi)關(guān)相連即可，不用考慮電平移動(dòng)�；�本忽略了對(duì)實(shí)際開(kāi)關(guān)的暫態(tài)過(guò)程描述。由于忽略了開(kāi)關(guān)的雜散參數(shù)，使得電路的數(shù)據(jù)處理量大為減少，運(yùn)算速度明顯提高。此外， Power System 對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存要求較高，仿真過(guò)程容易因存儲(chǔ)而溢出中斷。

    3.4 其他仿真軟件

    應(yīng)用比較普遍并曾對(duì)開(kāi)關(guān)工作電路與系統(tǒng)仿真產(chǎn)生影響的軟件主要有如下幾種：美國(guó)加州大學(xué)創(chuàng)建的原始電路模擬軟件 CANCER ，電子線路分析軟件 ECAP ，美國(guó)加州理工學(xué)院研制開(kāi)發(fā)并已獲得廣泛應(yīng)用的軟件 SCAP ，另外，還有電力系統(tǒng)瞬態(tài)分析工具 EMTP ，功率變換器和電氣傳動(dòng)仿真工具 ATP ，電力電子閉環(huán)系統(tǒng)分析工具 PENCAN ，電力電子電路仿真工具 PSIM 等軟件也在一定范圍內(nèi)使用。當(dāng)前為電源界實(shí)際應(yīng)用的軟件還有： ICAP 軟件，它是由 Spice 發(fā)展形成的一種電路分析軟件，在 Windows 下可以以電路或圖形的方式輸入，自然轉(zhuǎn)成仿真所需信息進(jìn)行仿真。 SIM — NON 軟件，它是命令驅(qū)動(dòng)的交互式程序，可以對(duì)微分方程、結(jié)構(gòu)圖模擬以及數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，這時(shí)電力電子器件一般按理想開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)仿真。另外，， EWB( 電子工作室 ) 軟件也是學(xué)習(xí)電力電子知識(shí)時(shí)較受歡迎的軟件。因?yàn)樗�提供了模擬和數(shù)字電子電路的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有和真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)一致的可視化界面，含有許多電子元器件模型，也允許自行擴(kuò)充器件庫(kù)．甚至輸出量與流行的 PCB 設(shè)計(jì)軟件 ( 如 Protel 、 ORCAD 等 ) 連起來(lái)，可以布線制版。因此這種軟件在高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用較普遍。

4 仿真軟件的應(yīng)用

    電力電子電路仿真軟件在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等各方面都發(fā)揮著巨大的作用。在教學(xué)方面，幾乎所有理工科 ( 特別是電子信息 ) 類的高校都開(kāi)設(shè)了仿真軟件課程。主要是讓學(xué)生了解仿真的基本概念和基本原理，掌握邏輯綜合的理論和算法、使用仿真軟件進(jìn)行電子電路課程的實(shí)驗(yàn)并從事簡(jiǎn)單系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般學(xué)習(xí)電路仿真工具 PSpice 和 Matlab 等，為今后工作打下基礎(chǔ)。科研方面主要利用電路仿真工具 (Matlab 或 PSpice 或 saber) 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真；利用虛擬儀器進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試；將 CPLD ／ FPGA 器件實(shí)際應(yīng)用到儀器設(shè)備中；從事 PCB 設(shè)計(jì)和 ASIC 設(shè)計(jì)等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方面，包括前期的計(jì)算機(jī)仿真，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的仿真軟件的應(yīng)用、系統(tǒng)級(jí)模擬及測(cè)試環(huán)境的仿真，生產(chǎn)流水線的仿真技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品測(cè)試等各個(gè)環(huán)節(jié)。如 PCB 的制作、電子設(shè)備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接、 ASIC 的流片過(guò)程等。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，仿真技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，包括機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，都有仿真技術(shù)的應(yīng)用。另外，仿真軟件的功能日益強(qiáng)大，原來(lái)功能比較單一的軟件現(xiàn)在也增加了很多新用途，進(jìn)而使得仿真軟件更加完善。

5 結(jié)語(yǔ)

    隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、 Internet 技術(shù)以及軟件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子系統(tǒng)仿真軟件將向網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、實(shí)時(shí)化和具有更高的開(kāi)放性、可移植性和可擴(kuò)展性方向發(fā)展。電力電子系統(tǒng)仿真軟件也將逐步向全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真和大規(guī)模實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)方向發(fā)展。

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責(zé)任編輯：許小倩

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