基于PSpice的电力电子电路仿真

文 伟，原腾飞

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

基于PSpice的电力电子电路仿真

文 伟，原腾飞

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍了PSpice的电力电子电路仿真设计，结合电路理论以及计算机技术，进行了电力电子电路器件的建模仿真。在PSpice电力电子电路的仿真分析过程中，结合建模的分类以及功率二极管模型的建立，尽可能的确定变压器模型，并进行电压电流仿真。基于PSpice的电力电子电路仿真过程，不仅优化了电子电路仿真的过程，而且能够满足不同的仿真需求。

PSpice 电力电子 电路 仿真

0 引言

如今，电力电子技术主要是结合功率半导体的开关对电功率流动进行控制，进而做好电能的变换性处理。电力电子系统的开关装置，主要是电力电子器件构成的，结合模拟电路，形成一个非线性的数模混合系统。PSpice仿真软件不同于其他仿真软件，在电力电子电路的动态性仿真过程中，不仅有着一定的数字混合仿真功能，而且还能仿真模型库的模拟过程。在模拟过程中，结合复杂电路的时域性分析，通过对电路的优化，同时确定状态方程的模型结构，然后进行电路仿真。该软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能，结合模拟电路的硬件模式，自动进行电路检索。同时，PSpice仿真软件允许用户对参数进行修改使用，同时允许用户结合状态方程和拉普拉斯函数对模型进行创建，控制应用数学方程的基本模块，具有较好的仿真效果，数据的处理也十分方便，仿真波形效果相对较好。伴随着电力电子电路的发展，对于如何做好电力电子电路的仿真始终是人们高度重视的一个问题，本文对此进行了深入研究，具有一定的现实意义。

1 PSpice的基本构成和模拟功能

1.1 PSpice的基本构成

PSpice作为电力电路计算机辅助的一种电力电路模拟软件，在电路硬件设计的过程，主要是做好电路的模拟设计。PSpice由6个基本模块构成：电路原理图编辑程序Schematics、电路仿真程序PSPICE A/D、激励源编辑程序Stimulus Editor、模型参数提取程序Model Editor、输出结果绘图程序Prode、元件模型参数库LIB。用户通过对6个模块的灵活使用，对电路进行参数设置，进行实现用户的最优设计。

1.2 PSpice的模拟功能

PSpice在模拟直流电路功能的分析中，结合电路的直流工作点，在电容开路的时候，计算电路的节点；在电路直流小信号传输函数在电数的计算过程中，确定直流小信号工作的输出电路，同时确定直流转移性曲线的结果，进而确定小信号模型参数、几何线性，分析频域和噪声，完成对电路的模拟仿真。

2 建模分类和仿真过程

2.1 建模分类

建模分类的过程，主要是结合计算机仿真的相关要求，在一定电压电流的温度范围内，确定器件的参数物理量，实现问题的简单化处理。基于计算机电路的分析过程，尽可能地优化电路模型，进而做好电路的优化设计，提供最优化的器件制造方案。物理模型主要是结合器件的输入输出控制，做好物理结构和拓扑参数的分析工作，在微分方程的解析阶段，实现有限元以及有限差分的计算和分析。电学模型的确定，是从物理原理理念出发，其基本模型也是结合电子器件的基本物理规律，简化模型的参数设计，做好子电路模型的参数分析。建模过程也存在数学模型，用户通过结合器件的物理过程，实现抽象中的数学编程，进而结合自身的需求不断完善模型的结构，实现软件结构的优化。

2.2 仿真过程

制作新器件模型的时候，应将PSpice元器件的代号做好设计，结合 PSpice模型的通用子电路进行分析，在新建器件代号的确定阶段，软件将自动处理特殊的元器件。首先点击“Edit Symbol”进行编辑，创建图形界面代号语法规则，即做好语法的分析。然后在 Name中添加FILENAME，进行子电路元器件的制作、保存属性，最后在原理图中进行复选。注意子电路用方块表示，在X-subckt中。对于子电路引用示意图，如图1所示。

变压器的仿真过程，一般通过结合电压互感器的方法得到波形。但是电感元器件的参数比较单一，有时候电量传递会无法合理准确实现，尤其在软件的仿真中难以体现出效果。因此变压器的仿真工作设计，就要结合变压器和耦合电感的数据相关结构，结合子电路的基本形式，模拟实际使用中变压器的工作情况，做好实际的仿真工作。在本文中，我们采用单端反激式开关电源变压器进行电路仿真。单端反激式开关变压器具有电压、电气隔离、耦合传送能量等功能，其原理图如图2所示。

图1 子电路引用示意图

图2 单端反激原理图

首先，是在 PSpice软件中进行电路图的绘制，主要是通过电路原理图编辑程序 Schematics模块，确定变压器的PSpice模型，将生成的文件放置在CADENCE的目录下。然后通过模型参数提取程序Model Editor模块确定子电路，通过输出结果绘图程序Prode模块自动生成的文件完成子电路的设计，最后通过电路仿真程序 PSpice A/D模块完成该变压器的仿真。仿真过程的变压器原副边的电流情况如图3所示，原副边电压情况如图4所示。

图3 仿真过程的变压器原副边电流

从仿真结果可以看出，原副边电压波形达到了预期的要求，表明单端反激式变压器能很好地解决参数波动的问题，系统的稳定性较好，有着较好的能量传递效果，同时原副边的电流变化也是随着负载的改变具有比较稳定的变化，但是同时，我们通过对仿真软件的观察，发现电压输出波形并不是完全的理想化波形，具有少许不收敛性。这是因为PSpice软件在进行电路分析时，都是将电路的各种参数通过方程组的方式进行运算。出现这种情况的时候，我们可以减小软件对方程组的计算精度，根据实际需求修改VNTOL、ABSTOL、RELTOL等精度参数，减少软件对方程组的计算频率，解决上述不收敛问题。可以看出，PSpice软件在电力电子电路仿真时，设计方便，而且可以及时地根据各种需求，进行模块的选取、参数的修改，有效地进行试验研究。

图4 仿真过程的变压器原副边的电压

3 结语

基于计算机技术的发展，各种计算机仿真技术也日渐成熟，现在用户越来越注重仿真特性的传达，电子电路的仿真参数的优化，同时要保证有着较高的精度和稳定性。从本文的仿真探讨可以看出，基本PSpice的电力电子电路仿真过程，精度高、稳定性好、设计修改方法简单。PSpice软件采用其特有的算法，通过预先设计的应用模块，很好地满足了电力电子电路研究的要求。

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PSpice-based Simulation of Power Electronic Circuit

Wen Wei , Yuan Tengfei
( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper introduces the Pspice simulation of power electronic circuits. Combined with the circuit theory and computer technology, the modeling and Simulation of power electronic circuit device is done. In the process of Pspice power electronic circuit simulation, Combined with the classification of models and the establishment of power diode model, the model of transformer is determined, and the voltage and current are simulated. The PSpice-based simulation of power electronic circuit not only optimizes process of the power electronic circuits, but also meets the needs of different simulation.

PSpice; power electronics; circuit; simulation

TN710

A

：1003-4862（2017）02-0038-03

2016-08-12

文伟(1986-)，男，硕士研究生。研究方向：控制理论与控制工程。E-mail：newwen@163.com