电力电子的常用仿真软.ppt

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1、,计算机仿真在电力电子技术中的应用,清华大学电机工程与应用电子技术系 2003年9月北京,目前常用的电力电子模拟电路仿真软件大体可以分为以下几类，一类是利用包括有详细器件模型的通用电路仿真软件如SPICE，SABER进行电力电子电路仿真；另一类是在现有的专用仿真软件如电力系统仿真软件EMTP中加入以理想开关为模型的电力电子器件模型，从而将仿真领域扩展到包括电力电子装置的系统分析中。还有一类是对电子电路某些方面，如热学，电磁兼容等，的特性进行分析的软件用于电力电子电路的设计以提高产品的可靠性。以下我们将对国内电力电子领域中常用的几种仿真软件的历史，其性能特点，和在电力电子电路的仿真中适用程度进行

2、简单的介绍。,1.3 通用电路仿真软件,为了便于对不同仿真软件在对电力电子电路进行时域仿真时的特点进行比较，采用一个如下图所示的零电流准谐振变流器进行研究。其中开关频率为1MH，占空比为0.3，电路中续流二极管和功率MOS管分别用PSPICE的内建的D1N4148和IRF150详细模型描述。电路中Cr和Lr分别为谐振电容和电感，电流源则用来模拟输出滤波电路和负载电阻。,ORCAD/PSPICE简介 1.3.1 历史和基本特点 OrCAD是美国OrCAD Systems 公司于上个世纪80年代推出的通用逻辑电路设计软件包，它包括电路原理图设计组件ORCAD/SDT（Schematic Desig

3、n Tool），逻辑电路仿真组件ORCAD/VST（Verification and Simulation Tools），可编程逻辑电路设计组件ORCAD/PLD（Programmable Logic Device），和印刷电路板版图设计组件ORCAD/PCB（Printed Circuit Board）。设计人员可以首先借助SDT对电路原理图进行设计，并经过后处理生成相应的电路连接网表文件；该文件随后作为VST的输入，在用户设置的输入信号作用下，根据电路的结构拓扑关系和各单元的功能和延迟特性，进行仿真，通过分析电路中各节点的逻辑状态变化来确定所设计的电路是否满足预定的要求；在电路设计完成后，

4、即可直接调用PCB组件根据设计好的电路原理图进行印制版图的设计，从而完成逻辑电路计算机辅助设计的全过程。SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）是一种通用的电子电路仿真软件包。1972年由美国加州大学伯克莱分校计算机辅助集成电路设计小组开发的，主要用于大规律集成电路的计算机辅助设计，是得到最为广泛应用的一个电子电路设计软件。它利用设计人员易于掌握和应用的硬件描述语言（VHDL）来对电路的结构，参数以及希望分析的电路特性进行描述，其后根据用户设置的条件的电路进行仿真，并根据计算结果验证所设计电路的可行性。PSPICE则是由美国MicroSim公司于19

5、84年在2G版本基础上加以改进以适合PC机使用的SPICE版本，该软件在PSPICE6.0及以后的版本由于采用了图形界面，更进一步方便了用户的使用。,1998年OrCAD公司并购了MicroSim公司，经过重新集成的OrCAD/PSPICE软件的环境如图1所示，主要包括作为前处理的OrCAD Capture组件，用于电路原理图设计，仿真参数设置以及产生电网络连接表（Netlist）；仿真器OrCAD Pspice随后根据上述网络连接表对电路进行仿真。一旦设计的原理图通过验证，就可以进入后续的Layout Plus程序进行印刷电路板版图的设计，或进入Express进行可编程逻辑元件（PLD）的设

6、计。现在该公司又被Cadence公司并购，所推出的9.2版即是该公司命名并进行了重新组合。,ORCAD为设计者提供了一个由基于原理图或VHDL文件的电路设计；FPGA和CPLD综合设计；到数字,模拟,数模混合仿真；直到印刷板设计的整体解决方法。上面所示为软件包的主要模块：CIS器件信息系统（COMPONENT INFORMATION SYSTEM）PSPICE AD图形编辑器MODEL EDITOR模型编辑器OPTIMIZER优化器STIMULUSEDITOR信号源编辑器,PSPICE A/D简介,PSPICE采用的是所谓非程序化语言，即它不包括任何赋值和IFTHENELSE结构的语句。因此不

7、可以由用户自定义函数，而需采用其中已有模型生成新器件。即不是开放型的软件。它通过绘制原理图，经由图形编辑器生成的网络结构表（NET LIST）作为程序输入。所生成的表中包括了器件，相互之间的连接和其参数。结构上它采用了一系列扩展函数：时域：表达式中可以包括常数，参数，数学函数（如LOG，EXP，TRIG等）和节点电压，电流；以及运行时间（TIME）VALUEsin(twopi*fc*Time)表函数，即可以采用插值方法：TABLE 1V（4），（0 0）（0.1 0.2）频域：LAPLACE 变换，其中可以包括常数，参数，数学函数等 LAPLACE V(5)+V(6)1/(1+t1*S)表函数

8、：FREQ V(7)(0 0 0)(5k 0-5760)分析种类：交流，直流，参数扫描，优化，蒙特卡洛等多种分析。,DRC：design rules check,原理图设计视窗(CAPTURE)项目管理视窗(PROJECT MANAGER):设计资源文件夹:设计文件夹(DSN):原理图文件夹,原理图页面(点击即可进入原理图编辑器,而通过点击器件则可进入器件编辑器)设计存储文件夹:器件清单 库文件夹:设计中所用器件所属库输出文件夹:设计规则检查(DRC),网络连接表生成(NETLIST)翻译器:PSPICE资源文件夹:,下图为升降压斩波器电路,器件选择,波形图,数据,别名,设计备份,开放式数据库

9、互接,PSPICE AD（数据处理器）对于PSPICE的文本文件，即以.cir 为后缀的文件可以利用DESIGN MANAGER 中的数据处理器进行仿真。5以前版本的.cir 文件是一个完全的文件，即除需调用的库外是 完整的。而通过SCHEMATIC 的图形文件.sch 生成的.cir 文件则需包含 NET LIST 和ALIAS 文件，如图右所示，但结果是相同的。,*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*Schematics Version 8.0-July 1997*Wed Sep 24 09:05:05 1997.PARAM Lvar=5mh*Analysis

10、 setup*.tran 100us 50ms*From SCHEMATICS NETLIST section of msim.ini:.lib C:MSim_8projectsls2.lib.lib nom.lib*Schematics Netlist*C_C1 0$N_0001 100uF V_Vs$N_0002 0 50VD_D1$N_0001$N_0003 D1N4002 M_M1$N_0002$N_0004$N_0003$N_0003 IRF150L_L1 0$N_0003 Lvar V_Vg$N_0004$N_0003 DC 0V AC 0V+PULSE 5V-5V 0.7ms 1

11、us 1us 298us 1msR_R1 0$N_0001 R_R1 1k.model R_R1 RES R=1 DEV=10%.probe I(L_L1).END,*,C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*Schematics Version 8.0-July 1997*Wed Sep 24 10:58:52 1997.PARAM Lvar=5mh*Analysis setup*.tran 100us 50ms*From SCHEMATICS NETLIST section of msim.ini:.lib C:MSim_8projectsls2.lib.lib

12、nom.lib.INC buk-.INC buk-boost.als.probe.END,*09/23/97 21:19:30*Win95 PSpice 8.0(July 1997)*ID#12345*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*CIRCUIT DESCRIPTION*Schematics Version 8.0-July 1997 输出文件*Tue Sep 23 21:19:28 1997.PARAM Lvar=5mh*Analysis setup*.tran 100us 50ms.STEP LIN PARAM Lvar 1mh 10mh 2mh*Fro

13、m SCHEMATICS NETLIST section of msim.ini:.lib C:MSim_8projectsls2.lib.lib nom.lib.INC buk-*INCLUDING buk-*Schematics Netlist*（网络连接表）C_C1 0$N_0001 100uF V_Vs$N_0002 0 50VD_D1$N_0001$N_0003 D1N4002 M_M1$N_0002$N_0004$N_0003$N_0003 IRF150L_L1 0$N_0003 Lvar V_Vg$N_0004$N_0003 DC 0V AC 0V+PULSE 5V-5V 0.7

14、ms 1us 1us 298us 1msR_R1 0$N_0001 R_R1 1k.model R_R1 RES R=1 DEV=10%*RESUMING buk-boost.cir*.INC buk-boost.als*INCLUDING buk-boost.als*Schematics Aliases*（别名描述体.ALIASESC_C1 C1(1=0 2=$N_0001)V_Vs Vs(+=$N_0002-=0)D_D1 D1(1=$N_0001 2=$N_0003)M_M1 M1(d=$N_0002 g=$N_0004 s=$N_0003 s=$N_0003)L_L1 L1(1=0 2

15、=$N_0003)V_Vg Vg(+=$N_0004-=$N_0003)R_R1 R1(1=0 2=$N_0001).ENDALIASES*RESUMING buk-boost.cir*.probe.END,文件分为两大部分，一为程序部分，包括程序中问题；二为仿真环境，包括初始条件和运行中发生的问题。程序部分包括网络连接表和别名描述体。,*09/23/97 21:19:30*Win95 PSpice 8.0(July 1997)*ID#12345*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*Diode MODEL PARAMETERS*D1N4002 IS 14.1100

16、00E-09 N 1.984 ISR 100.000000E-12 IKF 94.81 BV 100.1 IBV 10 RS.03389 TT 4.761000E-06 CJO 51.170000E-12 VJ.3905 M.2762*09/23/97 21:19:30*Win95 PSpice 8.0(July 1997)*ID#12345*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*MOSFET MODEL PARAMETERS*IRF150 NMOS LEVEL 3 L 2.000000E-06 W.3 VTO 2.831 KP 20.530000E-06 GAMM

17、A 0 PHI.6 RD 1.031000E-03 RS 1.624000E-03 RG 13.89 RDS 444.400000E+03 IS 194.000000E-18 JS 0 PB.8 PBSW.8 CBD 3.229000E-09 CJ 0 CJSW 0 TT 288.000000E-09,CGSO 9.027000E-09 CGDO 1.679000E-09 TOX 100.000000E-09 XJ 0 DELTA 0 ETA 0 DIOMOD 1 VFB 0 U0 0 TEMP 0 VDD 0 XPART 0*09/23/97 21:19:30*Win95 PSpice 8.

18、0(July 1997)*ID#12345*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*Resistor MODEL PARAMETERS*R_R1 R 1*09/23/97 21:19:30*Win95 PSpice 8.0(July 1997)*ID#12345*C:MSim_8projectsedubuk-boost.sch*INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE=27.000 DEG C*CURRENT STEP PARAM LVAR=5.0000E-03*NODE VOLTAGE($N_0001)30.70E-21($N_0

19、002)50.0000($N_0003)0.0000($N_0004)5.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_Vs-7.166E+00 V_Vg 0.000E+00 TOTAL POWER DISSIPATION 3.58E+02 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME 47.32,仿真环境包括主要器件参数初始值，和仿真结果：1。电路功耗2。运行机时,对于复杂的电路PSPICE中采用了可以分层设计的功能，这可以通过如图所示的设计模块的方法或增加页面的方法实现。,器件模型编辑器（PARTS）作为PSPICE一个重要

20、组成部分，PARTS为用户提供了一个根据厂家提供的器件数据自行编制器件模型并用于仿真的可能。实际应用中包括两种基本类型：一是建立全局的模型，存有用户库中便于今后仿真使用；另外就是建立局部的即时模型（INSTANT）用于特点的仿真程序中。全局模型：利用管理视窗中PARTS直接进行。实际步骤包括：建立用户库，引入模型（包括NEW，COPY和GET方式）。比如利用NEW即引入新器件，得到下述菜单，即性能，参数和曲线。当选择某种性能时，相应的参数即出现星号，改变该参数即影响性能。该变化可由曲线直观看出。比如MOS线性区跨导KF由1变10。,另一种全局模型可以在SCHEMATIC主菜单中以编辑库的方式进

21、入。即时（本地）模型：该模型为有SCHEMATIC中选定的某个器件模型的复件基础上进行修改后生成的，它的编辑对库不产生影响，因此其作用是局部的。编辑后它会自动在器件名称后增加Xn后缀。而在修改后可以自动生成一个以该项目命名的库并将该模型存储其中。,CIS:component information system(元件信息系统),本地信息系统,远地信息系统,器件名称性能外形图技术参数购买信息,Internet component assistant,MRP:Manufacturing resource planningERP:Enterprise resource planningPDM:Pro

22、duct data management,ODBC:Open database connectivity,集总数据库,Bill of Material,CIS 环境:CIS包括两个窗口,即本地器件数据窗和器件探测器窗。器件数据窗（PART MANAGER）：该窗可由CAPTURE窗口中的TOOLSPART MANGEROPEN 打开，其中内容包括序号，器件位于程序页号，名称，器件的值，器件的数量，数据库的关系，器件库（SLB）的位置，器件封装库（PLB）的位置。,探测器窗（EXPLORER）：该窗可由CAPTURE的PLACEPLACE DATABASE PART中得到。它包括两个视窗，即本地

23、和 INTERNET辅助窗（ICA）。可以通过点击位于底部的选择条进行选择。,从中可以得到所关心的器件的类型探测窗，器件接线图，器件封装外形图，器件性质和器件表。其中器件数据服务器CDS（COMPONENT DATA SERVER）表中则包含分类，零件号，类型，值，性能描述，封装形式，厂家，供应商，价格，状况，网址。所以一旦用户采用新的器件，除可从本地数据库中选择外，还可以从网上直接下载器件模型，进行仿真研究。,（3）印刷板（PCBoard）设计印刷板设计是电力电子电路设计中一个重要方面，PSPICE中将该功能与原理图设计相连接，用户可以直接由SCHEMATIC 中得到的电路转向印刷板设计图。

24、,下图为一个数字电路，在原理图设计结束后选择TOOLS中RUN PCBOARDS 则可得到下页所示印刷电路图。在PSPICE中每个器件的编辑窗中应包括两项，即：模板（TEMPLATE）和封装（PKGREF）。没有或模板一项为空白表明该器件可以用于印刷电路设计但不能用于仿真。而没有或封装项仅为器件名称则该器件不能出现于印刷电路设计中。,该电路为机器生成初步电路，实际中还需加以修改，得到实际可以应用的电路。该电路可以存为以.pca 为后缀的文件。此外可以通过选择TOOLS中 RUN SCHEMATIC 一项生成其电路原理图。为了验证印刷电路设计的正确性PSPICE中具有三个功能函数：即，设计规则检

25、查（DRC），设计变化调整（ECO）和电气连接图比较。同时在电路图设计视窗还包括外形图检查（FOOTPRINT）。,性能分析:在完成电路图进行仿真之前需确定分析目的，此时选择ANALYSIS，生成子菜单显示可以仿真的类型，包括交流扫描，即通过扫频研究频响特性；直流扫描，即对电压，模型参数在指定范围扫描；直流工作点分析；传递函数分析，即直流工作点附加线性化小信号传递函数；灵敏度分析，寻找对电路直流偏置影响最大的元件，减小其对电路影响；蒙特卡若用于对电路参数进行统计分析；参数扫描用于对模型参数对系统响应的影响进行分析；温度分析用于分析温度影响的模型参数对系统的影响；暂态分析对系统的动态过程利用数值

26、积分将状态方程转化为非线性代数方程再用牛顿拉夫逊法求解。,变量相互关系分析 仿真运行结束自动生成以时间为X轴缺省变量的时域波形。如希望研究变量相互之间的关系可以在PROBE窗口中选择PLOT（即分析类型设置）改变X轴设置（Axis variable），比如可选择电感中电流作为X轴变量，而生成研究其与电容上电压的关系的曲线即相平面图。,图形中系统的电压最后收敛于0，所以实际上作为串联谐振变流器的该系统不能正常工作。,参数扫描:下图为升降压斩波器,对电感参数进行选择.,1.确定扫描参数VAR;2.引入PARAM,即参数设置器件,给定缺省值;3.设置参数扫描范围，方式；4.扫描,并显示结果;5.深入

27、分析,如最大值等;,变量相互关系分析 仿真运行结束自动生成以时间为X轴缺省变量的时域波形。如希望研究变量相互之间的关系可以在PROBE窗口中选择PLOT（即分析类型设置）改变X轴设置（Axis variable），比如可选择电感中电流作为X轴变量，而生成研究其与电容上电压的关系的曲线即相平面图。,X轴的设定缺省为时间，作特殊分析时，可以由选项plot进入，按仿真需要设置轴。,在进行扫描时可以先选取一组定义横轴，然后其它各族均采用相同的坐标系从而在同一平面上画出不同参数对系统稳态响应当影响。,性能分析 对于扫描结果，可以进行性能分析。其步骤如下：1.在PROBE窗口中，选择TRACE即分析种类；

28、2.选择Perfoemance 3.Wizard（功能）4.目标函数（GOAL FUNCTION）5.Search trace（对象）6.显示曲线。给出器件在回路电感不同时所承受的峰值电压的大小，如与其他分析结合可优化系统参数。,Wizard,蒙特卡洛和最坏条件分析 二者的目的均是利用统计方法分析器件误差对电路特性的影响程度，worst(WC)分析是对电路进行灵敏度和最坏条件分析，即找出使输出信号偏差最大的元件值；而monte carlo(MC)分析则是在误差范围中以随机取样的方式就元件误差对电路特性的影响进行统计分析,以优化参数。其中第一次运行用标称值仿真，其后根据各个器件参数的容差规定随机

29、选取在限度内偏离标称值的不同值进行运算；并将各次结果与标称结果进行比较，得到元器件容差引起的输出结果偏离的统计分析。,蒙特卡洛分析：在元件误差范围中随机变化元件的参数，然后将系统的响应记录下来，进行分析，次数可由用户定义，但第一次是采用标称值进行仿真。由于元件的误差通常呈现高斯分布，所以如随机数采用高斯曲线分布可以得到更好的效果。1.分析类型：分为LOT（相同模型器件参数全部同时变化，适于集成电路）和DEV（器件参数分别变化）两种。2.对照函数（FUNCTION）：Ymax:此后运行中和标称结果最大差；Max(Min)：波形最大（小）值；Fall(Rise):第一次小（大）于阈值；Range

30、Hi(Lo):评价函数上（下）限；3.MC分析：List：每次运行种模型和参数 All：所有输出 First：第一轮运行中第n次数据 Every：每轮运行中第n次数据 Runs：仅列指定运行次数数据选择扫描次数；随机数的形式，即UNIFORM（均匀分布）和GAUSSIAN（高斯分布）；设置存储结果的形式。其后点击More Selection选择分析结果的形式.采用升降压斩波器进行分析。,对于非库存的无源和半导体器件Orcad提供了一组所谓Breakout（开放式）器件，用户可以根据仿真的需要对其参数进行编辑，从而可以在进行统计分析时设置偏差。基本的开放模型名称是由内建模型名称加后缀BREAK构

31、成，在用户不另加说明的条件下其参数为内建模型的缺省值。,分析功能（FUNCTION）：Ymax:运行结果和标称结果最大差值；Max(Min)：每个波形最大（小）值；Fall(Rise)_EDGE:第一次下降（上升）经过阈值；Direction:Hi（Low）向上（下）偏移；打勾选择列出所有参数。,MONTE CARLO NOMINAL*CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 1.0000E+00 MONTE CARLO PASS 2*CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES R

32、EFERENCING Cbreak C_C1 C 1.0269E+00 MONTE CARLO PASS 3*CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 1.1402E+00,MONTE CARLO PASS 4*CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 9.5620E-01ERROR-Convergence problem in transient analysis at Time=14.00E-06 MONTE CARLO P

33、ASS 5*CURRENT MODEL PARAMETERS FOR DEVICES REFERENCING Cbreak C_C1 C 9.0409E-01MONTE CARLO SUMMARY*Mean Deviation=-3.3305Sigma=2.1006 RUN MAX DEVIATION FROM NOMINALPass 3 5.4311(2.59 sigma)lower at T=3.0713E-03(89.475%of Nominal)Pass 2 1.23(.59 sigma)lower at T=3.0479E-03(97.616%of Nominal),WC（最坏情况分

34、析）首先它利用灵敏度而不是随机数对于系统参数进行分析，以搜索可能的最坏情况。利用其中More Selection设置其它值。Save表明选择记录每次结果。,PROBE打开后出现上述选项窗口，询问需观测那个分析结果，其中，包括额定工况(MINAL），最差情况分析(L DEVICES)；和灵敏度分析结果。由于新版ORCAD中WORST采用灵敏度分析的方法，即对每个器件每个误差大小对响应的影响分别进行一次分析；然后将上述数据综合确定最差条件并据此进行分析，所以每次灵敏度分析结果也可显示。分析后根据输出偏移量大小，判断是否超出规范要求。如超出需考虑缩小误差范围。下页显示利用性能分析确定开关器件上压降受

35、参数变化形成的最大影响。,SENSITIVITY SUMMARY*Mean Deviation=-.1121 平均偏差 0.112Sigma=0%标准差 0，RUN MAX DEVIATION FROM NOMINALCbreak C DEVICES.1121 lower at T=2.0306E-03(3.1489%change per 1%change in Model Parameter).WORST CASE ALL DEVICES*DEVICE MODEL PARAMETER NEW VALUE C_C1 Cbreak C.855(Decreased)R_R1 Rbreak R 1(

36、Unchanged)WORST CASE SUMMARY*RUN MAX DEVIATION FROM NOMINALALL DEVICES 6.8437 higher at T=2.9990E-03(112.71%of Nominal)%变化量12.7%,优化：优化作为电路设计一个有力的工具在ORCAD中对其应用进行了简化。设计中首先在原理图中确定计划优化的器件，并通过PART中OPTPARAM加以确定，然后CAPTURE进行仿真。仿真后选择PSPICE中OPTIMIZER转到优化视窗。,在优化视窗中包括性能（SPECIFICATION）和参数（PARAMETERS）两个窗口，前者确定优化目

37、标，后者确定扫描范围。窗口中白底的为优化后的值，另一为起始值。其他运行参数，如均方根误差，迭代次数，仿真次数示于左侧。,新软件的主要优点包括：具有模拟/数字混合仿真功能，因此可以同时处理模拟和数字混合的电路，这是传统的单个仿真器所不能做到的。该软件可以用来进行包括包含FPGA在内的数字器件和模拟元件在内的系统设计。此时，可以先做全部设计的函数仿真，然后选择合适的芯片，并在完成电路布线后，仿真并优化所设计的整个系统的能力；其后如果需要的话，进行相应的印刷电路板的设计。数模混合仿真程序：现在提供的仿真模型库包括大量的模拟器件，数字器件，及传输线、磁芯等模型，充分利用这些仿真模型可以有效地改进设计和

38、降低成本，帮助设计人员可以用更少的时间设计出更好的电路。该软件的模拟行为仿真模型使用户可以用类似于传递函数框图的方法来对复杂的器件或电路进行时域或频域分析；而其电路基本分析：如直流、交流和瞬态分析，以及蒙特卡洛，最坏情况/灵敏度分析等功能，使用户可以从不同的角度分析和研究自己的设计，令设计更有创造性。该软件允许用户通过使用参数，拉普拉斯函数与状态方程等建立用户自己的模型。但是，由于该软件是为大规模集成电路设计而开发的，其中器件模型主要针对信息电子领域的小功率器件而设计，当将其应用推广到电力电子领域时需对模型进行相应的修正。,1.3.2 OrCAD/Pspice在电力电子电路仿真中的局限当将Or

39、CAD/Pspice用于电力电子电路仿真时，所面临的主要困难可以简要归纳如下：（一）器件模型：SPICE中器件的建模采用了宏模型法，也称等效电路模拟法，是一种基于经验的方法，它并不关心器件内部的几何结构和物理过程，而根据器件的已知的输出入特性利用由审慎选择的理想元器件，如电阻、电容、受控源等构成的等效电路来模拟器件的特性。这种方法比较容易掌握，但其应用范围往往受到器件的非线性性能的限制。再加上SPICE类型的仿真软件原是为大规模集成电路的设计开发的，其中程序设计的重点在于如何对包括大量高速，低压，小功率半导体器件的电路进行精确地计算,其中缺省参数的设置均是根据小功率器件选择的，而由于高压大功率

40、电力电子器件从结构和性能上所存在的大注入现象，电荷存储效应，基区宽度调制，低掺杂区所造成的器件结构上的不均匀，从而破坏了上述模型成立的条件，所以简单地采用软件中原有的小功率器件模型，特别是沿用原缺省参数，去模拟电力电子器件可能会引入较大的误差，甚至得到完全错误的结论。(二）利用Pspice中的理想开关对系统进行仿真时，由于构成电力电子电路的开关器件的非线性的性质，使得电力电子电路依据开关的状态不同而改变其拓扑，也即为一个变结构的非线性的时变电路。对于一个非线性时变系统，数学上不存在一般的解法，所以造成仿真的困难。,(三)计算稳定性：由于电力电子系统中负荷的时间常数和开关周期往往相差若干个数量级

41、，所以描述该系统的方程从本质上是病态的。而由于Pspice在计算中采用的是梯形法，较之高阶方法它具有计算速度快和稳定的优点，但在计算开关动作时刻的感性节点的电压和容性支路的电流发生突变时容易发生数值振荡，所以算法的收敛性是其仿真中的一个大问题。由于变步长方法是当二步计算误差超过一个指定值时即将步长减小来处理，而电力电子电路中周期性的开关的动作引起的突变是系统固有的性质，因此往往造成了仿真软件在开关点附近为寻找适当的步长而进行大量的计算，从而浪费大量的机时。（四）负载模型：电力电子电路的负载与信息电子电路不同，可能是如电阻，电容，电感等固定负荷，也可能是包括电机在内的各种运动负荷。此时负荷的模型

42、可能包括机械，热力，流体等多种物理过程，因此一是负荷模型非常复杂，利用PSPICE已有模块去建模也比较困难。二是由于时间常数可能相差很远，形成病态方程计算不易收敛。因此对于包括非电学负荷类系统的仿真还是利用相应的仿真器，比如直流输电系统利用EMTDC/PSCAD仿真，较为合理。为了解决上述问题，除了MicroSim公司对于其器件模型进行了一系列改进外，大量用户也推出了一系列措施来克服上述局限，以将其应用领域扩展到电力电子电路的计算机辅助设计,1.3.3 OrCAD在仿真中的收敛性在进行DC扫描和暂态分析时，PSPICE需利用牛顿拉夫逊法从一组初始近似值开始，通过若干次迭代逼近非线性方程组的解。

43、尽管实际的物理系统均是存在解的，但在利用数值方法进行暂态过程求解时，往往由于解法的限制不能得到方程的解，即收敛到一组相容的电压和电流。解决算法发散问题的途径一是确定一个合理的初值，但在实践中并没有一个一般的方法去寻找初值。其次是具有尽可能宽的动态范围，但由于计算机硬件的原因，目前版本的PSPICE算法的精度和动态范围均受到一定的限制，这包括：1 由于采用双精度算法，PSPICE的精度为15位；2 电压和电流的量值限制在1E10伏和安培的范围；3 导数的大小限制在1E14以下；,运行参数设定,Pspice的运行参数作为可设定的选项对于仿真计算的结果的收敛性和分析精度具有重大的影响。在实际仿真中，

44、运行参数的主要选项如图所示，其中对于电力电子电流仿真影响最大的是模拟仿真参数设置，可设置参数包括：电压和电流的相对误差RELTOL电压的绝对误差（也称最佳精度，下同）VNTOL，缺省值为1.0uV；电流的绝对误差ABSTOL；电荷的绝对误差CHGTOL；任何支路的最小电导GMIN，）；直流和偏置点迭代次数极限ITL1；直流和偏置点最佳估计次数ITL2；暂态分析迭代极限ITL4；位于Advanced Options选项窗口中的总迭代次数ITL50（无穷）；标称温度TNOM，27Co。其他选项包括是否对最小电导进行步进调节（STEPGMIN），该方法是在计算失败后通过增大并联电导的值，即减小并联电

45、阻的值，来帮助改善计算的收敛性；以及是否通过预定制降低矩阵阶数（PREORDER）等。PSPICE中由于RELTOL（相对精度）通常取为0.1，所以仿真计算中可以应用的动态范围为12位。此时如按缺省值ABSTOL取1pA，则当电路的最大电流为数KA时，所需动态范围为，即超过软件的限制，从而引起计算结果发散。所以，在仿真大功率电路时，如电流的峰值在KA等级时，ABSTOL取为1uA；当峰值在MA等级时取1mA。作为一般的准则，VNTOL和ABSTOL取为比电路典型的电压和电流值小9个数量级。虽然VNTOL1uV在实际中可以满足绝大多数功率电路的要求，但为了改善其计算的收敛性，建议将该值取为1mV

46、。此外，将相对精度（RELTOL）降低到1可以使动态范围扩大到13位；或将暂态分析时的迭代次数由缺省的10次提高到比如50次，而将总迭代次数ITL5置为0（无穷大）均可以帮助改进仿真计算的收敛性。,仿真时间的范围利用PSPICE进行过渡过程仿真的时间范围同样受到双精度的限制而具有15位的仿真精度。注意到缺省的相对误差RELTOL0.001，所以时间的动态范围同样为12位，即最小的仿真步长应是总仿真时间除以1012。假定计算步长变得过小，暂态分析将会由于两个原因而失败。一是所采用的牛顿拉夫逊法在所允许的最小步长仍不收敛；二是电路中某变量变化的速度远远超出最小步长所能适应的范围。,电感模型在PSP

47、ICE中L作为理想电感模型（和变压器的漏抗）为线性电感，即其电感量不随频率的变化而变化。但实际功率电路中所用的电感，高频时等效电感会发生变化，导致电感量的减小。一方面纯电感模型实际上是不真实的，往往会导致错误的计算结果。另一方面，上述模型在与之相连的开关器件快速动作时，会在电路中引起实际中可能并不存在的高速的电压或电流的脉冲毛刺，从而导致仿真时间的加长，甚至仿真结果的不收敛；以及与电路中的杂散电容产生实际上并不存在的高频振荡。所以仿真时应将电路中所有的电感都并联一个吸收电阻，用于模拟电感的涡流损耗和限制带宽。上述并联电阻的阻值应当等于转折频率时电感的电抗。比如，一个1mH的铁心电抗其转折频率为

48、100KHZ，则并联电阻的最佳取值为：在转折频率以下，电感的感抗很小，所以并联电阻对电路的影响很小，该模型呈现感性；高频时并联电阻将吸收能量，从而对电路可能出现的高频振荡进行阻尼。在开关电源等电路中作为输出滤波器的电感通常体积较大，由于绕组之间的耦合在相当于在理想电感两端并联有一定的电容。上述电感通常在500K到数十MHZ间具有一个自振频率，体积越大对应的谐振频率越低。而在制作时为了降低有功损耗通常上述电感的Q值很高，所以谐振特性非常陡且频率范围很窄。所以上述电感可以用一个并联有电容的理想电感来模拟，在谐振频率之上，容性，即并联电容将起主导作用。而在该频率以下，电感将起主要作用。当以铁氧体环作

49、为EMI抑制时其特性则与其相反，因为该环的目的是对电磁干扰加以抑制，即对辐射能量加以衰减，所以Q值很低，谐振峰较为平坦且频率范围较宽。所以可以将其建模为一个具有50100欧的并联电阻和13pF并联电容的电感。但由于磁心材料的性能随频率的变化呈现强烈的非线性和非单调性所以精确建模十分困难。,（2）Saber：Saber软件是由美国Analogy公司于1986年开发的一个通用软件包，与传统的仿真软件相比，它具有两个主要特点：一个是其结构上通过开发新的模拟硬件描述语言（AHDL）MAST，采用了将建模和仿真完全分离的技术。这种技术使得仿真器的算法的开发与数学模型的建立和支持相分离，从而可以优化仿真算法；而由此形成的开放式的界面使得用户可以方便地自建模型，而不需对仿真算法有深入的了解，从而优化模型。另一是采用混合技术，使用户可以用其对包括电机工程，机械工程，和热学，流体力学等多个领域的系统行为进行仿真。特别是在电机工程领域，由于其模型和算法可以说源于SPICE所以可以用和SPICE相同的方法进行仿真，而由于其算法具有更强的鲁棒性，并可以直接与各种机电等负荷接口，所以更适于对电力电子系统进行仿真。但问题是其价格较贵，所以大大地限制了其在我国的推广应用。,