电力电子开关仿真模型的处理.doc

电力电子开关器件仿真模型的处理 丁国臣 姜玉红 邵红 （海军航空工程学院青岛分院电子系 青岛 266041） 【摘 要】电力电子电路的开关器件是一种非线性时变元件，这就给电力电子电路的仿真带来麻烦，因此电力电子电路仿真的关键是如何处理好开关器件在仿真模型中的描述问题。电力电子电路的仿真可借用很多专用仿真软件来进行，但不同仿真软件的特点是不一样的，本文重点讨论了Orcad/Pspice、MATLAB_SIMULINK等在电力电子电路中应用比较多的软件。 【关键词】开关器件 仿真 模型 Orcad/Pspice MATLAB_SIMULINK 一、引言 通过对电力电子电路的仿真可以验证电路原理的正确与否、检查设计性能的好坏以及试验极限条件下的特殊情况等，从而达到减少研发费用、缩短设计时间及提高设计可靠性的目的。 电力电子电路的仿真主要有实时仿真、动态仿真以及CAA。所谓实时仿真，就是在计算机上逼真的再现实际电力电子电路的运行过程；所谓动态仿真，就是在计算机上计算并绘制出电力电子电路的运行波形；而CAA就是指在计算机上计算并绘制出电力电子电路的某些特性。 电力电子电路的开关器件是一种非线性时变元件，这就使得电力电子电路难以直接用线性时不变方程描述，从而给仿真带来麻烦，因此电力电子电路仿真的关键是如何处理好开关器件在仿真模型中的描述问题。 目前，电力电子电路的仿真可借用很多专用仿真软件来进行，但不同仿真软件的特点是不一样的，能够应用的仿真模型也不一样，因此在仿真前，我们应要仔细分析仿真的目的，从而有针对性的建立模型和选择仿真软件。 二、开关器件的模型处理 按照仿真的目的，一般情况下可将电力电子电路的仿真模型分成三类，即精确模型、准精确模型以及平均模型。 精确模型是指元件级仿真用模型，其优点是能反映电路运行中的细节问题，但模型建立复杂，仿真运行速度慢，软件运算的收敛性容易出问题；准精确模型是指系统级仿真用模型，其模型建立相对简单，仿真速度快；平均模型是指系统级仿真和辅助分析用模型，其模型建立简单，仿真速度极快。 对电力电子电路的开关器件的建模基本上也存在这三种情况，概括起来主要有以下几种处理方式。 （一）RLC构成的精确模型 如果用一组可变参数的电阻、电容以及电感所组成的网络来精确模拟电力电子开关的开关过程，且能够很好的模拟开关器件的上升、下降时间，通态压降，关断漏电流等参数，就可对电力电子电路运行时微秒级以下的瞬态特性进行仿真，Pspice软件就可以形成此元件级模型。 （二）准精确模型 1．R构成的准精确模型 如果用一个较小的电阻作为开关导通时的模型，用一个较大的电阻作为开关关断时的模型，对电力电子电路的仿真就会简化很多。这样的处理使电力电子电路仿真中对微秒级以下瞬态过程的分析就不够精确，但对毫秒级瞬态过程的分析还是足够精确的，如果不需要分析开关器件开关过程的损耗、开关过程引起的尖峰等问题，就可以用这种开关模型简化仿真过程，减少运算量。 2．分段线性化建立的准精确模型 对于一个包括开关器件的动态系统来说，假定开关的开关过程是瞬时完成的，则每一个开关状态将对应一个固定的拓扑，即一个线性的时不变系统，因此就可以分别建立相应的线性状态方程。这样我们就将一个非线性的时变系统变成了一系列在时间系列上分段线性化的线性时不变系统，如图1所示。 图1 非线性的时变系统转化为线性时不变系统 这样处理就可以利用我们所熟知的线性系统的求解方法来进行求解。即把一个具有一定时间序列的j个开关状态的电力电子设备，列出k个开关周期中各开关状态对应的状态方程组： 其中Tk，j表示第K个开关周期中的第j个状态的转换时刻。状态变量X为动态元件如电容上的电压和电感中的电流，如前所述由于状态是连续的，所以第j个状态的终值将成为第j+1个状态初值。 得出了上面的几组状态方程之后，就可通过迭代的方法逐点求解电路的状态，其中每个状态的最后一个解就是下一个状态的初始值。 采用上述方法进行仿真计算时，由于假定开关的开关过程是瞬时完成的，所以其实用范围一般不能用于分析开关器件的开关特性及由此引起的问题。 3．改进的准精确模型 假定开关过程是瞬时完成，如果将开关器件的状态转换所引起的系统变化用状态方程的输入量变化来表示，并且有开关状态变化时下面的状态方程中A、B、C、D都不会发生变化，只有u*发生变化，则仿真中只需在适当的时候改变u*，其他时候状态方程中把u*看成是常数就可求解。 此方法由于假定了开关过程是瞬时完成，从而难以用于分析开关器件的瞬态特性，但是分析系统稳态特性和大信号特性时的却非常有用，对建模水平的要求也高一些。 （三）平均模型 前面所用方法虽然可以解决物理对象到仿真模型的转换问题，但是这些处理方法都无法给出系统的解析模型，从而使电力电子电路的