论文部分内容阅读
【摘要】《电力电子技术》这门课的实用性比较强，而且大部分内容还较抽象。在电力电子技术教学中引入Pspice仿真技术来讲解相关内容，可使得枯燥的知识理解的更直观。本文以同步Buck电路为例进行仿真和分析，实践证明，利用Pspice仿真技术进行仿真实验教学，可以克服利用硬件进行实验的不足，同时提高学生学习的兴趣，加深学生对内容的理解。
【关键词】电力电子技术；Pspice；同步Buck电路
电力电子技术作为电气工程专业的一门很重要的专业基础课，与生产实际联系非常紧密，其内容繁杂，原理抽象，图形复杂，同时又涉及电子，电力，控制理论等多学科内容，是多数学生认为比较难学、难懂的一门课程。随着电力电子技术的发展，内容不断增加，如何在有限的学时内获得更好的教学效果，让学生较好地掌握课程内容、培养学生的工程实践能力和科学创新精神、增强学生的学习兴趣，就成了一项迫切需要解决的问题。随着计算机软件仿真技术的不断发展，目前针对电力电子技术的仿真软件已被广泛应用于工程设计当中。将Pspice电力电子计算机仿真软件引入教学活动中不仅贴近工程实际，更能将晦涩复杂的变流原理直观地展示出来，提高教学效果。本文利用Pspice软件对同步Buck电路进行了仿真，取得了较好效果。
一、Pspice仿真软件介绍
Pspice软件是市场上较为成熟的电子系统仿真软件，能够完成电路的直流分析、交流分析、参数分析以及瞬态分析，其包含的器件模型与实际模型较为接近，且各大功率器件和芯片厂商都提供了针对这个软件的器件仿真模型，可以直接从厂商网站得到。Pspice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。采用这款软件，能够得到与实验特别接近的仿真结果。
二、基于Pspice仿真同步Buck电路研究
（一）同步Buck电路工作原理
为了保证电路中电流无论轻载还是重载都保持连续，并实现开关管的软开关，将传统Buck电路中的续流二极管换为MOSFET开关管如图2-2所示，即同步Buck电路，如图1所示。
图1 同步Buck电路
从上图可看出，开关管 电流可以实现双向流动，当轻载时滤波电感电流为零时，电感电流反向流动从而确保电感电流连续。由于MOSFET体内存在寄生电容和寄生二极管，在死区时间内合理设计能够实现软开关，若器件寄生参数不合适，可在MOSFET两端反并联肖特基二极管和合适电容 。
（二）同步Buck电路仿真分析
为了验证电路轻载时，电感电流能够反向并连续，以及软开关的特点。对同步Buck电路利用Pspice仿真软件进行了仿真分析，如图2所示。
仿真参数：直流输入48 V；电感 取10 µH；滤波电容 取值470 µF；负载 为10 ；开关管并联电容利用本身寄生电容，设计输出20 V。
图2 同步Buck电路图
输出电压仿真如下图3所示，电路负载扰动为满载-半载-满载。
图3 输出电压波形
从图3中可以看出，电路的超调量不大，即保证了系统的快速性又防止过大的超调，当负载扰动时系统仍能较好的保持输出稳定。
为实现开关管软开关，两驱动电压信号之间需合理设置死区时间，如图4所示为主开关管 和辅助开关管 的驱动电压波形。
图4和 的驱动波形
从上图可以看出，两驱动电压信号之间有一定的死区时间，为实现开关管的软开关提供了可能。
同步Buck电路电感电流能反向也是实现开关管软开关的前提条件，如下图5所示。
图5驱动 和电感电流
上图为 的驱动电压 和电感电流仿真波形，可以看出电感电流为零后继续反向而没有断续，从而输入输出的线性关系能够保持，还解决了调节器在电流断续时设计困难的问题。
通过对两管驱动电压 和电压 波形进行仿真，可以直观的观察开关管的软开关，如下图6和图7所示。
图6驱动 和电压
图7驱动 和电压
从上图可以看出开关管 和 均实现了ZVS导通和关断。因为两个开关管在导通前，电流已通过反并联二极管续流，因此为ZVS导通。由于开关管两端存在寄生电容，从而实现ZVS关断。
三、结论
将Pspice仿真软件应用电力电子技术实验教学，其主要优势有以下几点：
1.电力电子技术实践性非常强，传统的实验多是依托电力电子技术实验装置完成的，但由于电力电子技术实验装置操作复杂，加之实验学时有限，学生难以在短时间内熟练掌握装置的使用方法，而利用仿真软件直观易懂的特点，很好地解决了这个问题。
2.在传统的装置实验中，是利用双踪示波器对电路的相关波形进行观察和分析的，所以同一时刻只能分析其中的两路波形，难以对电路的各处波形有一个整体的观察，从而影响对电路工作情况的整体了解。Pspice软件可以同时观察电路各点波形并实时对比，使学生对电路有了整体的了解。
3.由于实验设备及电路元器件的老化等问题也会使得实验结果不准确甚至出现异常情况，从而影响实验效果。Pspice软件使用软器件，不仅可以保证器件永不老化，保证实验结果的统一性，甚至可以人为设置器件故障，让学生观察故障现象，使教学不只停留在理论上，更能让学生掌握解决实际问题的能力。
参考文献：
[1]王兆安 , 黄俊 . 电力电子技术 [M]. 第四版 . 北京 : 机械工业出版社 ,2000.
[2]张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计（修订版）. 北京：电子工业出版社， 2005: 19-20
[3]温嵩杰. 常规Buck和同步Buck的对比研究. 科教文汇(下旬刊) 2008, 09: 261-262
[4]Y. Q. Zhang, P. C. Sen, Y. F Liu. A Novel Zero Voltage Switched (ZVS) Buck Converter Using Coupled Inductor. Canadian Conference on Electrical and computer Engineering, 2001,1: 357-362
[5]王浩，谢运祥．低压大电流同步整流技术的现状及发展．电源技术应用，vol.5. No.9, 2002
[6]胡学青.低压大电流高频开关电源同步整流技术的研究[D].合肥工业大学硕士学位论文，2010：3-4
【关键词】电力电子技术；Pspice；同步Buck电路
电力电子技术作为电气工程专业的一门很重要的专业基础课，与生产实际联系非常紧密，其内容繁杂，原理抽象，图形复杂，同时又涉及电子，电力，控制理论等多学科内容，是多数学生认为比较难学、难懂的一门课程。随着电力电子技术的发展，内容不断增加，如何在有限的学时内获得更好的教学效果，让学生较好地掌握课程内容、培养学生的工程实践能力和科学创新精神、增强学生的学习兴趣，就成了一项迫切需要解决的问题。随着计算机软件仿真技术的不断发展，目前针对电力电子技术的仿真软件已被广泛应用于工程设计当中。将Pspice电力电子计算机仿真软件引入教学活动中不仅贴近工程实际，更能将晦涩复杂的变流原理直观地展示出来，提高教学效果。本文利用Pspice软件对同步Buck电路进行了仿真，取得了较好效果。
一、Pspice仿真软件介绍
Pspice软件是市场上较为成熟的电子系统仿真软件，能够完成电路的直流分析、交流分析、参数分析以及瞬态分析，其包含的器件模型与实际模型较为接近，且各大功率器件和芯片厂商都提供了针对这个软件的器件仿真模型，可以直接从厂商网站得到。Pspice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。采用这款软件，能够得到与实验特别接近的仿真结果。
二、基于Pspice仿真同步Buck电路研究
（一）同步Buck电路工作原理
为了保证电路中电流无论轻载还是重载都保持连续，并实现开关管的软开关，将传统Buck电路中的续流二极管换为MOSFET开关管如图2-2所示，即同步Buck电路，如图1所示。
图1 同步Buck电路
从上图可看出，开关管 电流可以实现双向流动，当轻载时滤波电感电流为零时，电感电流反向流动从而确保电感电流连续。由于MOSFET体内存在寄生电容和寄生二极管，在死区时间内合理设计能够实现软开关，若器件寄生参数不合适，可在MOSFET两端反并联肖特基二极管和合适电容 。
（二）同步Buck电路仿真分析
为了验证电路轻载时，电感电流能够反向并连续，以及软开关的特点。对同步Buck电路利用Pspice仿真软件进行了仿真分析，如图2所示。
仿真参数：直流输入48 V；电感 取10 µH；滤波电容 取值470 µF；负载 为10 ；开关管并联电容利用本身寄生电容，设计输出20 V。
图2 同步Buck电路图
输出电压仿真如下图3所示，电路负载扰动为满载-半载-满载。
图3 输出电压波形
从图3中可以看出，电路的超调量不大，即保证了系统的快速性又防止过大的超调，当负载扰动时系统仍能较好的保持输出稳定。
为实现开关管软开关，两驱动电压信号之间需合理设置死区时间，如图4所示为主开关管 和辅助开关管 的驱动电压波形。
图4和 的驱动波形
从上图可以看出，两驱动电压信号之间有一定的死区时间，为实现开关管的软开关提供了可能。
同步Buck电路电感电流能反向也是实现开关管软开关的前提条件，如下图5所示。
图5驱动 和电感电流
上图为 的驱动电压 和电感电流仿真波形，可以看出电感电流为零后继续反向而没有断续，从而输入输出的线性关系能够保持，还解决了调节器在电流断续时设计困难的问题。
通过对两管驱动电压 和电压 波形进行仿真，可以直观的观察开关管的软开关，如下图6和图7所示。
图6驱动 和电压
图7驱动 和电压
从上图可以看出开关管 和 均实现了ZVS导通和关断。因为两个开关管在导通前，电流已通过反并联二极管续流，因此为ZVS导通。由于开关管两端存在寄生电容，从而实现ZVS关断。
三、结论
将Pspice仿真软件应用电力电子技术实验教学，其主要优势有以下几点：
1.电力电子技术实践性非常强，传统的实验多是依托电力电子技术实验装置完成的，但由于电力电子技术实验装置操作复杂，加之实验学时有限，学生难以在短时间内熟练掌握装置的使用方法，而利用仿真软件直观易懂的特点，很好地解决了这个问题。
2.在传统的装置实验中，是利用双踪示波器对电路的相关波形进行观察和分析的，所以同一时刻只能分析其中的两路波形，难以对电路的各处波形有一个整体的观察，从而影响对电路工作情况的整体了解。Pspice软件可以同时观察电路各点波形并实时对比，使学生对电路有了整体的了解。
3.由于实验设备及电路元器件的老化等问题也会使得实验结果不准确甚至出现异常情况，从而影响实验效果。Pspice软件使用软器件，不仅可以保证器件永不老化，保证实验结果的统一性，甚至可以人为设置器件故障，让学生观察故障现象，使教学不只停留在理论上，更能让学生掌握解决实际问题的能力。
参考文献：
[1]王兆安 , 黄俊 . 电力电子技术 [M]. 第四版 . 北京 : 机械工业出版社 ,2000.
[2]张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计（修订版）. 北京：电子工业出版社， 2005: 19-20
[3]温嵩杰. 常规Buck和同步Buck的对比研究. 科教文汇(下旬刊) 2008, 09: 261-262
[4]Y. Q. Zhang, P. C. Sen, Y. F Liu. A Novel Zero Voltage Switched (ZVS) Buck Converter Using Coupled Inductor. Canadian Conference on Electrical and computer Engineering, 2001,1: 357-362
[5]王浩，谢运祥．低压大电流同步整流技术的现状及发展．电源技术应用，vol.5. No.9, 2002
[6]胡学青.低压大电流高频开关电源同步整流技术的研究[D].合肥工业大学硕士学位论文，2010：3-4