开关电源的设计与仿真精选(九篇)

第1篇：开关电源的设计与仿真范文

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关键词：电池仿真器；锂电池；紧凑型电池仿真器

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.8.019

为什么需要电池仿真器？

很多新产品都采用锂电池，因为这类电池有性能高、重量轻的特点。实际上，很多更加复杂的应用涉及到连接多节电池，以实现想要的电池组工作电压，这个电压常常为数百伏。如果让锂电池过度充电和过度放电，就会容易受到不利影响，所以这类串联电池组都会采用监视系统，记录每节电池的电位以避免此类问题。开发这些多节电池的电池组监视系统（BMS）需要采用一种便利方法的电路仿真法，以测试控制和保护算法的有效性。理想情况下，激励源将是实际的电池，不过随后通过改变电荷状态（SoC）以触发BMS中的不同功能动作则变成了一件冗长繁琐的事情。还有一种办法是频繁使用多个实验室电源，但这是一种非常昂贵的解决方案。因此对于简单的功能测试而言，常常仅通过偏置电阻串提供基本的电池仿真。电阻串受到明显限制，因为电阻串呈现相当大的源阻抗，因此给系统引入了不代表真实电池的人为分量。即使采用专有电源，如果接受测试的系统包括主动电池平衡，那么电源也必须顾及虚假充电电流f即电流反向）问题。最重要的是，人们希望有办法获得多种多样的紧凑型电池仿真器，以简便地在实验室测试BMS功能。拥有电池仿真器的另一个有用方面是此类物品很容易通过空运的方式运送到远离实验室的地方进行操作，反之则常常不得不利用水运来装运实际的锂离子电池组。

选择实用电路

我们需要的主要特点是低源阻抗和两象限工作（正电压但双向电流，所以我们可以仿真放电和充电方向）。我们还需要隔离各种电池仿真器，以便他们可以串联连接，就像真实的电池组一样。后一个要求表明，需要使用变压器，以及为了实现紧凑性而需要使用开关型架构。有一种开关拓扑既提供隔离，又提供两象限工作，这种拓扑就是同步反激式转换器。

在一个被用作升压器的简单反激式转换器中，一个低压侧开关以一个设定了输出部分之输出电流的占空比来运作，如图1所示。整流器二极管以这种理想化的形式在开关关闭期间导通，并允许输出电流在磁能转移至愉出电容器的过程中以单向的方式于传感器中流动。在调节时，开关经受一个高于12V电源的反激式峰值电压dV，在多数设计中dV与电源电压近似。

为了隔离转换器，本文用一个变压器取代电感器（如图2所示），以使输出出现在变压器副端。尽管输出现在已经隔离了，但是磁性能量传送过程是与使用电感器时完全相同。选择变压器匝数比N，以用想要的特定输入和输出电压优化运行。在这里，开关再一次经受高于12V电源电压的反激峰值电压dV。但是，这个电路无法防止输出电压被一个外部电流强制到高于设定点（这个电路仅支持一个工作象限）。

一种同步版本也已开发出来，这时用另一个开关取代整流器，如图3所示。该电路既由于开关消耗的功率低于正向导通的二极管而提高了效率，又由于现在电路是对称而产生了第二个工作象限。这个电路在副端可以接受反向电流，这导致主端绕组反击电流回到主电源中，因此输出将保持在设定点，即使存在强制反向输出电流。我们必需认识到这样的可能性，即：如果仿真电池被重度地“充电”（电流流入正输出电压），则用于电路的电源其本身有可能经受一个反向电流。既然输出全部隔离了，那么电源供电可以在任何数量的电路之间均分，以便单个大容量电源可以便利地为整个阵列供电。这样的阵列连接还纳入了寄生电路损耗，因此电源在正常使用方式时不可能经受反向电流（即是只要净“充电”量

考察细节

一种非常适合实现这种转换器功能的IC是凌力尔特的LT3837。这个电路的典型应用是从较高电压的大容量电源轨提供类似电池的、电流为几安培的低电压。对于电池仿真器功能而言，唯一的差别是本文设计希望获得一个可调的输出电压。由于总体解决方案的高功率整体电源可提供12V电压，因此本文设计可通过优化设计将此用作一个电源。考虑到锂离子电池化学组成的电压范围从略低于2V到稍高于4V，可以建立一个对应的微调范围，从而提供通用的用法以及仿真众多SoC状态的能力。

图4显示了一个阵列的一部分，该图提供了所有细节信息。为了提供电压调节，反馈网络支持一个运放控制信号，以使ov代表大约4.2V输出，而3V则控制约1.9V输出。为了实现良好的用户控制，通过配置使每个电池电路具备了一种“游标”微调能力，然后利用粗调和细调对一个阵列组进行群控制（主控器调节信号MCTL可连接至几个转换器部分）。对于所示的数值，输出电压群粗调精度约为±0.9V，群细调精度约为±0.15V，而电池“游标”微调精度则为±O.lV左右，因此总体而言实现了期望的最大范围f为了提供微调，牺牲了至满限值的电池交叉控制能力）。所有的控制电路均由从12V整体电源获得的3.3V来供电。对于计算机化的电压控制，可利用16通道LTC2668 等DAC来取代运放信号。Qlol和Tl00是主要的反激式元件，Q102是同步整流器。为了实现Q102的快速和隔离式控制，栅极由Tl01通过电流缓冲器Q103和Q104来驱动。反馈利用Tl00中的一个辅助绕组来调节。输出端包括一个lOmQ串联电阻器，以便通过至电压表的开尔文连接（通过使用信号I+和I-）进行电流检测测量。该电路的总输出阻抗大约为25mΩ，提供坚固的±6A电流能力。静态损耗约为每节电池1W，因此对于一个由24节电池组成的阵列，12V电源反向的可能性是最小的，而且功率大小得到了很好的调节，适用于TDK-LambdaSWS300-12等现成有售的12V/300W电源。

第2篇：开关电源的设计与仿真范文

关键词：Multisim 仿真软件 调制与解调 分析 应用

中图分类号：TN912.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0215-01

Multisim仿真软件又叫虚拟电子实验室。他是一个虚拟的电路电路仿真软件，可以进行原理电路设计和电路功能虚拟测试，是一个名副其实的虚拟电子实验。该软件可以虚拟测试和演示各种电子电路，可以进行详细的电路分析功能，帮助电路设计人员对所设计的电路进行性能分析，在实际的工作中Multisim仿真软件具有很大的实用价值，尤其在在多路语音信号调制与解调实验中的地位更是不可取代。本文针对Multisim仿真软件在多路语音信号调制与解调实验进行了详细的分析如下：

1 实验原理及说明

频谱变换电路是现代通信中最为重要的电路之一，同样这种电路也是最基本的电路之一。现代通信技术在不断的发展，国家的相关部门又不断的提出我们要降低通讯成本，降低能耗，建设资源节约型社会。为了应对这种发展趋势，我们进行的电路设计已经摒弃了原来的一条线路只能传输一条信号的的设计方案，那样的方案应用率太低，成本很高。我们现在设计的电路需要实现各个语言信号的整合，使其可以通过提条线路进行传输，但是又不能产生干扰现象，这就要求我们所设计的电路。

调制解调过程就是将低频信号搬移到高频段或从高频段搬移到低频段的过程。所谓的振幅调制，就是要实现低频调制信号对于高频震荡的幅度进行有效的控制，使高频震荡信号通过低频信号反应出来；解调的过程比较简单，他就是将低频信号从调幅波中取出。可以进行调幅与解调的方式有很多，随着计算机的高速发展和软件的不断进步，现在的仿真电路种类很多，但是就现阶段而言，Multisim仿真软件的市场份额还是存在其绝对优势的。Multisim仿真软件在多路语音信号调制与解调实验中的过程比较简单，该软件的调幅功能的实现借助了集成乘法器，而对于检波功能我们通过二极管实现的，在具体的实验过程中，我们把实验电路进行了有效的模块分类，实现了多路语言的调制和解调，具体设计如（图1）所示：

2 实验电路的确定及仿真结果

实验原理中我们可以清楚的看到，Multisim仿真软件中的仿真窗口中的是设计多路电路的关键所在，我们必须在这些窗口中创立创建和设计多条语音信号的调制和解调电路，只有这样才能是吸纳多条实验电路公用一条通道的设想。在此过程中，我们要注意电阻、电容这些最为基本的电路元件需要从系统的原器件库中进行统一的调用；而电路中的语音信号和被加直流电压以及载波信号的来源我们通常借助电源信号库来实现；我们系统中的的控制件器库可以为我们提供电路设计中所需要的集成加法器和集成乘法器。这是我们整体的仿真系统中各个器件的来源和设计方式，最后我们按照试验线路中的但参数对试验器件的电参数进行设置就可以了。

2.1 多路语音信号调制部分

我们所设计的多路信号调制电路中主要部分由：乘法电路、加法电路、多路加法电路、滤波电路和直流叠加电路等等。打开系统，进入仿真界面，我们可以观察到每个单元必须在输出端连接双踪示波器，之后打开我们系统的仿真开关，这时系统开始工作并进入仿真状态，对电路的实际工作进行模拟演示，我们可以通过观察示波器的输出信号，从而得出调制部分各个单元电路的电压波形，当然这个波形反应的是输出电压的情况。

2.2 多路语音信号解调部分

相对于调制电路而言，解调电路的复杂程度要简单一些，在Multisim仿真软件的工作系统中带通滤波电路、低通滤波电路、检波电路、多路加法电路共同组成了Multisim仿真软件的各端仿真波形多路语音信号解调电路。同我们的调制部分相似，把双踪示波器和各个单元的电路输出端进行连接以后，我们就可以打开模拟开关了，这时我们的仿真系统便开始工作，我们同样需要观察示波器反应出的波形，这个波形就是调制部分各单元电路的输出电压波形，这就是Multisim仿真软件的多路语音信号解调部分。

3 结语

本文针对Multisim仿真软件在多路语音信号调制与解调实验的原理和具体步骤进行了一系列的分析，可以看出该软件的设计比较合理，操作相对而言比较简单，而且该仿真系统所反应的实验结果具有很高的实际价值，在此类实验电路的模拟检测中有很重要的意义。另外，Multisim仿真软件对于其他的电路模拟分析也有着很大的优势，在实际的应用中受到了大家的青睐。

参考文献

第3篇：开关电源的设计与仿真范文

关键词：电子线路设计；Mutisim、PSPICE、Protel+99+SE、应用

近年来，我国电路设计发展迅速，规模不断扩大，日益趋于复杂。这一形势下，传统电路设计手段已经难以满足现代电子线路设计的要求。当前，以Mutisim、PSPIC、Protel+99+SE等为主的仿真设计软件开始广泛应用于电子系统的设计与分析当中，并已经成为比不可少的重要工具。鉴于仿真设计软件在电力与系统设计中的关键作用和重要地位，对电子线路设计中仿真设计软件的应用进行探讨十分必要，对于我国电子线路设计的与时俱进、长足发展具有积极的现实意义。

一、电子线路设计中Mutisim软件的应用

电子线路设计中一般有一些编程是面向对象的程序编程，这些编程令大家再对电路进行设计时，可以进行抽象层上的描述，考虑到特定的制造工艺，能够对于Altera公司Quartus II软件的逻辑综合工具进行设计，也就是对于制造工艺版图之间可以实现任意的转换，假如有新系统的需求，就可以直接通过抑制生成新的工艺，这样就可以对于电路的一些时序或是面积的设计优化，并且能够将新工艺的网表进行直接生成。而且在设计中，该软件的应用可以对很多的方面生成一定的设计，比如对于异步FIFO、倍频时钟的产生，该设计软件可以对于Altera公司的自带IP核进行调用，设计结果是改善了设计周期，并且减小了设计的面积，对于整个布局布线也达到了更加的优化，并且使得系统达到了更高的要求。该设计还能够在像素时钟的上升沿将数据采集到寄存器中，并且将这些数据进行转换后生成新的设计，RAW2RGB模块将采集的数据转换成RGB信号，存储缓冲模块用于控制数据的缓冲，将数据写入SDRAM；LCM Controller模块产生LCD控制信号，将SDRAM中的数据送到LCD上，这样就完成了图像的采集与显示。

（一）Multisim软件的内涵

该软件是专门用于电路设计与仿真的系统工具，是连接理论设计与实际操作间的虚拟工作平台，具有十分强大的功能，除电路设计功能外，还能够对整个系统和电路信号作出仿真分析。应用Mutisim可对各种电子电路作出设计、仿真及演示，包括模拟电路、电工电路、高频电路、数字电路等。

（二）Mutisim软件的实际应用

选取二阶高通有源滤波器，来就Mutisim软件的应用进行探讨。二阶高通有源滤波器要求其频带内具有稳定而均匀的增益，属于经典滤波器的典型范例。因对其电路数理的分析极为繁琐，故辅以Mutisim软件应用十分必要。其应用原理如图1所示，将仿真开关打开，对双踪示波器的输入输出波形进行观察，并对电路电压增益进行估算。通过观察分析，理论值与试验值在高频段的偏差较大，而在中频段则比较相近。究其原因主要是由于运算放大器属非理想器件而造成的。这时，应用Mutisim软件来对阻容参数对电路频响特性的影响进行模拟，通过对比仿真后电路截止角频率的变化及对参数设计的改变，来加速明确而阶高通有源滤波器的数理变化和相关公式的运用，很大程度上减少了其电路实际设计中的繁琐工程量，设计效率大大提升。

二、电子线路设计中PSPIC软件的应用

（一）PSPICE软件的内涵

该软件是电子线路分析的通用模拟软件，具有强大的电路仿真和设计功能，包括六大功能模块，分别为：Optimizer模块、Probe模块、Model Editor模块、Stimulus模块、A/D模块及Capture模块。PSPICE软件通过对电子线路进行的提前moines分析，来测试各电路参数，检查电气规则，并对器件库构建功能作出分析。

（二）PSPICE软件的实际应用

在设计一级较强稳定型的电路时，在选择晶体管相关参数后，为获取静态的稳定工作点，就需要应用PSPICE软件来对电流负反馈分压式偏置电路进行仿真。其仿真设计原理如图2所示，集电极调幅电路载波信号确定为Vc，从调幅电路集电极来对调制低频信号进行输入，并将输出信号传送至二极管检波电路进行解调。参考图2，Q1级甲类放大电路设计中，应对直流（交流）通路设置的合理性进行充分的考虑，且LC谐振回路的特定频率应当同载波信号频率相一致。

在输入较大低频信号时，会形成过大的调幅波电压调幅系数，容易造成过大的直、交流负载差异，进而导致软件仿真的失真。这就要求，在应用该软件进行电子线路设计时，应对每一电路分立元件及参数对电路输出向的影响作出充分的考虑和整体的把握。

三、电子线路设计中Protel+99+SE软件的应用

（一）Protel+99+SE软件的内涵

Protel+99+SE是当前作为流行的仿真设计软件，具有强大的综合设计环境，包括PCB电路板设计、原理图设计、报表制作、层次原理图设计、逻辑器件设计、电路仿真等功能。因其自身所具备的强大功能，促进了电子线路设计效率的大大提升，从而成为电子线路设计中仿真设计软件的首选。

（二）Protel+99+SE软件的实际应用

应用Protel+99+SE软件来进行二级管伏安特性电路的仿真。其步骤如下，第一，启动Protel+99+SE程序，创建一个新的原理图文档，并在原理图浏览器中进行库文件的添加和路径的设置。之后，运用仿真元件库中相关元器件符号来对二极管伏安特性测试电路进行绘制；第二，对仿真环境进行设置，依据设计要求在菜单命令中进行相关参数的设置，完成后单击关闭；第三，执行菜单命令，进行线路仿真，得到二极管伏安特性曲线；第四，对仿真结果进行分析。

在二级管伏安特性电路仿真中应用Protel+99+SE软件，可产生直流移动曲线，通过分析直流，来对一系列静态工作点作出分析，从而对差异电源电压下，各电路节点直流电压/流，及元器件的功率、直流电压/流进行显示。

结语

基于仿真设计软件的电子线路仿真分与设计，为电子线路系统设计与电子产品研发注入了新的活力，促进了其设计质量和效率的大幅度提升，并使得电力设计缺陷发生率得以进一步降低。通过对仿真设计软件在电子线路设计应用的实证论述，可以看出仿真设计软件具有高效性，在一定程度上弥补了传统手段的不足，是现代电子线路设计与分析中的强有力工具。■

参考文献

[1]陈封.基于PSPICE的通信电子线路仿真研究[J].现代商贸工业.2011（16）

[2]张奕雄.通信电子线路Pspice仿真的研究与实现[J].现代电子技术.2010（11）

[3]徐宏庆.电子线路设计中仿真设计软件的应用[J].中国现代教育装备.2010（2）

第4篇：开关电源的设计与仿真范文

关键词：电源完整性；高速电路；信号完整性；HyperLynx

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-8412(2016)02-226-04

引言

电子元器件朝着微型化、高集成度、多功能化的方向发展，其瞬态切换功率越来越高，工作电压越来越低，噪音裕量变小，相应的PCB板整体电路设计密度更高，速度更快，对电源的要求更加苛刻。在设计复杂程度提高的同时，设计整体PCB整体电路时，势必遇到越来越多影响电源稳定性的各种干扰因素，且目前的信号完整性仿真都是建立在电源系统绝对稳定基础之上的。所以在互连设计时，进行电源完整性分析已成为必然。目前支持仿真的软件有很多，本文主要利用Mentor公司的HyperLynx进行仿真设计。

1电源完整性分析

电源完整性分析的主要目标就是能够给芯片电路提供干净的电源，消除电源噪声对芯片输出信号的影响。电源噪声对芯片的影响，会引起输出信号的逻辑错误或者产生时序问题。此外，电源地网络和信号网络不是独立的，而是紧紧耦合在一起的。所以电源地的噪声还会通过耦合影响信号线，或者辐射到外面，会产生EMI、EMC的问题等等[1]。一个电源供给系统（PDS）由电压调整器VRM、BULK电容、高频退耦电容、电源地平面四个对象构成[2]。一个理想的电源系统其等效阻抗应该为零，即在平面任何地方的电位应该保持稳定不变的，但是在实际运用中存在很大的噪声干扰，甚至有可能影响系统的正常工作。因此电源完整性分析的核心就是设计整个电源供给网络或者其中的一部分，在感兴趣的频率范围内降低整个网络的阻抗，使得电源地网络产生的噪声最小，而电源地网络设计一个主要参数就是目标阻抗，它的定义为：其中Power_Supply_Voltage为电源网络的供电电压，Allowed_Ripple为该网络允许的最大纹波，Current为通过的电流值。当前解决电源完整性首先要合理设计PCB叠层，在电源层和地层大面积铺铜，提供低阻抗的路径。对于由于芯片本身内部引起的电源问题最有效的途径就是合理的布置去耦电容[3]。因此解决电源完整性问题的关键应该是选择合适的电容、在合理的位置摆放这些电容，使PDS阻抗在系统的工作频率范围内小于目标阻抗。

2仿真分析流程

2.1系统简介

以目前设计的一高速采集系统为例来详细阐述仿真分析的流程。该系统采用高速ADC、高端FPGA以及高速光纤模块为硬件平台来实现数据的采集传输。系统功能框图如图1所示。

2.2电源完整性仿真

运用HyperLynx内嵌的功能模块PI来进行电源完整性仿真[4]。PI模块仿真方式分为集总参数仿真和分布参数仿真。集总参数仿真即把整个电源平面看成一个集成点，而分布参数仿真采用频点扫描，可选择要仿真的管脚，看管脚之间的交互影响。一般我们在进行电源Net仿真时，选择集总参数对整个网络进行阻抗分析更加有效。集总参数仿真也可导出到预分析环境中进行增减电容，替换电容，改变安装方式，改变叠层等What-If分析方法来进行该供电网络的PCB优化设计。首先设置板级的分析数据库，将PCB板图设计数据直接读入，确定板材材料，明确PCB叠层关系，设置各电源网络的直流电压，导入去耦电容模型或设置去耦电容参数包括ESR和ESL。根据设计要求确定电源平面的噪声容限，一般按照电源网络的5%来定义，最大动态电流一般按照芯片工作最大电流的50%来计算要仿真的电源网络目标阻抗。先对FPGA中关键的内核电压进行仿真。通常用钽电容来进行板级低频段去耦，可以用几个或多个电容并联以减小等效串联电感。在高频段，把去耦的频率范围分成3到4个频段。在本系统中FPGA实际工作频率为300MHz，在低频段选择多个470uf的钽电容并联，然后高频段要考虑利用多个陶瓷小电容并联简单有效的减小阻抗，同时容值间隔不能太大，要有效控制反谐振点阻抗的幅度。通过计算，我们可以选择2.2uf和0.1uf的电容组合为该电源网络高频段进行去耦设计。图2为FPGA内核电压网络频率—目标阻抗曲线图，从图中可以在为300MHz时，最大的阻抗为0.071124，即纹波电压最大为71mv。在实际设计时允许阻抗在目标阻抗线上一点，因为仿真的时候没有考虑芯片本身内部的滤波设计。因此可以看出电容设计基本上是可以满足阻抗设计要求的。同时还可对电源平面可进行压降和电流密度的仿真，防止器件出现失效过大的电压降，导致器件逻辑出错；或因过高的电流密度导致PCB损坏。从图3可以看出，该电源网络最大压降为0.4mv，表层最高电流密度为14.7A/mm2，是能够满足设计要求的。

2.3信号完整性仿真

根据上一章节对电源完整性仿真的结果，同时可以对主要网络的信号完整性进行仿真，从而更直接的验证电源完整性设计的合理性。对于本系统电路来说，由于要实现带宽400MHz的中频采样，后期传输速率很大，因此要着重关注光纤数据的传输。选取其中一对光纤输出差分线，导入到前仿真中，然后提取过孔的S参数模型，如图4所示。图5为传输速度为8Gbps的数据传输眼图仿真结果，眼图过渡良好，眼部充分张开，说明接收器侧的FPGA可以轻松地解读数据，能够很好的实现8Gbps的数据传输。

3实际测试结果

在本系统实际测试中，运用光缆实现测试数据自回环，通过计算机端的FPGA逻辑分析软件Vivado来观察光模块的工作状态。测试结果如图6所示，可以看出光模块可以很好的实现8Gsps的数据传输，无误码出现。

4结束语

本文简要的介绍了利用电路仿真工具进行电源完整性以及信号完整性仿真的方法和流程，并结合项目中的电路设计进行仿真，并对结果进行了验证。实践证明：通过软件对电路PCB板进行电源完整性以及关键信号线进行仿真，可以有效的缩短设计的周期，降低设计的难度，提高设计的可靠性。

参考文献

高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计Ansoft培训手册.

申伟,唐万明,王杨.高速PCB的电源完整性分析[J].现代电子技术,2009,311(24):213-218.

(美)伯格丁(Bogatin,E.)著.李玉山等译.信号完整性分析[M].北京:电子工业出版社,2005.

张海风等编著.HyperLynx仿真与PCB设计[M].北京:机械工业出版社，2005.堵军,高辉,

第5篇：开关电源的设计与仿真范文

1电力电子系统建模技术根据不同层次的仿真需要，电力电子系统仿真模型大体上可以分为3类：详细模型、理想开关模型和平均模型[1-2]。

1.1详细模型

详细模型主要针对电力电子器件建立包括其物理模型在内的精确且详细的数学模型，该模型考虑了器件内部详细的物理特性，包括线路杂散电感和电容等微参数，可以用于开关特性分析、功率损耗和吸收回路参数计算，甚至电磁兼容性评估。但是，由于该模型通常采用非线性微分方程和包含指数项的受控源来描述，并且在仿真过程中涉及到大量的开关过渡过程，要求仿真步长非常小，仿真效率很低。对于复杂的电力电子电路进行精确建模将使得仿真电路中包含了大量的元器件模型，不仅占用大量的计算机资源，同时也增大了系统病态的概率，从而进一步影响到计算的收敛性和稳定性。在目前计算机技术条件下，详细模型无法用于实时仿真。

1.2理想开关模型

理想开关模型不关注开关器件动作的变化细节，只关注整个电力电子系统的主要特性，忽略开关瞬间的动态过程，即将开关器件简化为理想开关，是一种功能性的行为模型，在电力电子系统实时仿真中得到了广泛应用。在实际中应用理想开关模型对电力电子系统进行建模通常有3种方法：变换电路拓扑结构法、双极性电阻法和开关函数方法。

1.2.1变换电路拓扑结构法

该方法根据开关的导通与关断使电路形成不同的拓扑结构来实现建模，并在电力电子器件导通时认为其短路，即阻抗为零；关断时认为其开路，阻抗为无穷大。文献[3]针对四象限变流器采用该方法进行建模，如图1所示，根据器件的导通状态具有整流、逆变、交流侧短路等不同的电路拓扑结构，根据各拓扑结构建立了不同的状态方程，实现了半实物实时仿真。利用变换电路拓扑结构法对电力电子系统建模时，物理概念清晰，应用方便；但需要分析出所有可能的电路拓扑结构，特别是当电路中器件数量较多时，分析难度很大。每个器件有两个状态，当系统有N个器件时，对应的拓扑数为2N，所以当电路中开关器件数量增加时，电路的拓扑数呈指数上升，此时要分析出所有电路拓扑结构将是非常困难的，所以该方法不适用于多开关器件的电力电子系统建模。另外，在使用该方法对电力电子系统进行建模与仿真时需注意两个问题：

（1）电路拓扑从一种结构变换到另一种结构的时刻并不一定完全由外加的控制信号所决定，还有可能由电路内部条件来决定，比如二极管中电流为零时，电路拓扑结构将发生变化，此动作时刻取决于系统本身的状态和参数。

（2）2N个拓扑结构中，有一些拓扑结构在实际应用中是不可能或不允许出现的，在进行建模时可以不考虑这些拓扑结构，进一步简化模型，提高仿真实时性。

1.2.2双极性电阻法

该方法用一个非线性电阻作为电力电子器件模型，将器件的两个状态用两个不同阻值的电阻表示，如图2所示。在电力电子器件导通时，对该电阻取一个非常小电阻值，即导通电阻Ron；关断时取一个非常大的电阻值，即关断电阻Roff。该方法的实质是将一个含开关器件的非线性系统在时域中经过线性变换为一系列分段变系数的线性系统。其优点显而易见，原理简单，与前述方法相比，系统的拓扑结构不随开关状态变化，即状态方程不发生变化，仅仅是状态方程的系数发生相应变化。但是由于该模型中导通电阻Ron和关断电阻Roff的阻值往往相差几个数量级，使得系统中最大时间常数和最小时间常数差别巨大，从而影响状态方程的求解精度和求解速度，甚至由于方程的病态，引起数值计算的不稳定。

1.2.3开关函数方法

该方法不考虑具体的电路拓扑结构，以研究电力电子系统外部变换特性为目的，采用线性代数方程描述电力电子系统的输入输出关系。以图3（a）所示的三相电压型逆变器为例，用开关函数方法可以将其等效为图3（b）、图3（c）。图中，Sa、Sb、Sc分别为逆变器a、b、c相的开关函数，通常根据开关器件的控制信号用1、0、-1表示。从逆变器的输入端来看，每相的开关器件可以等效为一个电流源，如图3（b）所示；从逆变器的输出端来看，每相则可以等效为一个电压源，如图3（c）所示。开关函数方法仅利用线性代数方程描述电力电子系统的外部特性，既与电路拓扑结构无关，也不存在病态方程，仿真速度优于上述两种理想开关模型的方法，而且无数值收敛问题，非常适用于实时仿真。但是，该方法的应用范围有限，该方法仅适用于所谓的矩阵型变流器，如整流器、逆变器等，即变流器仅由理想的、无损耗的开关组成，不包含除吸收回路外的其他任何无源器件；对于非矩阵型变流器，其开关器件和无源器件组成一个整体，如DC/DC变流器等，该方法不适用。另外，对于结构复杂、电平数比较多的多电平变流器，由于其开关函数比较难得到，该方法也不太适用。

1.3平均模型

平均模型以研究电力电子系统整体的外部平均特性为主要目的，不考虑开关电压、开关电流的具体波形，只考虑系统的主要特性，忽略高频分量，是系统级的模型。平均模型又分为状态平均模型和开关平均模型等方法，此类方法在非矩阵变流器，如DC/DC变流器的建模中得到了广泛的应用。平均模型在仿真中不存在开关和拓扑结构的变化，是仿真速度最快的模型，但其仿真精度有限，且不能得到单个开关器件的电压、电流等波形，无法评估开关谐波的影响。

2半实物实时仿真关键技术

2.1实时仿真平台

（1）dSPACE[4]

dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的控制系统开发及测试工作平台，其实现了与Matlab/Simulink的无缝连接。dSPACE在半实物仿真中的应用非常多，尤其在汽车行业应用最为广泛。它属于专用系统，硬件板卡都由dSPACE公司自行开发，处理器板具有高速的计算能力，同时具备丰富的I/O板，用户可以根据需要进行组合实现多种领域的半实物仿真。dSPACE实时仿真系统的优点是实时性强、可靠性高，但由于是专用系统，硬件设备相对昂贵。

（2）RT-LAB[5]

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司开发的实时仿真平台，它同样实现了与Matlab/Simulink的无缝连接。RT-LAB专门针对电力电子系统实时仿真开发了Artemis实时解算算法以及RT-Events等工具箱，在电力电子系统实时仿真领域得到了广泛的应用。RT-LAB最大的特点是其开放性和可扩展性，它可以兼容标准的商业I/O板卡和PC处理器，从而使得其硬件成本较低，可扩展性强。

（3）RTDS

RTDS实时仿真平台由加拿大曼尼托巴研究中心开发，专门为研究电力系统中电磁暂态现象而设计，在电力系统实时仿真领域的应用最为成熟和广泛。RTDS系统具备高计算能力的处理器板和丰富的I/O板卡，同时具有较完备的电力系统元件和控制系统元件模型库。RTDS系统为电力系统实时仿真专用系统，硬件设备相当昂贵。

（4）其他

除了以上3种应用较多的实时仿真平台外，还有一些实时仿真系统也得到了一定的应用，如华力创通的HRT1000、ADI系列实时仿真器、以及用于电力系统实时仿真的HyperSim等。

2.2开关延迟问题

实时仿真具有严格的时间边界，必须采用定步长仿真模式，所以实时仿真器的采样周期不可能与触发脉冲同步。实时仿真器采样周期与触发脉冲的异步性如图4所示。实时仿真器的采样时刻为固定间隔，即图中虚线所示的t(n-1)、t(n)、t(n+1)时刻，而触发脉冲跳变（即开关状态变化）的时刻发生在t(k)时刻，即在实时仿真器两次固定采样点的中间时刻，从而造成了开关延迟现象，t(k)时刻发生的开关事件直至t(n)时刻才能被实时仿真器捕捉到。开关延迟现象是定步长实时仿真中存在的特殊问题，影响了仿真结果的准确性，根据不同的电路结构，该现象将造成电压电流出现不真实的“尖峰”，即非特征谐波[6]，在某些情况下甚至会引起数值振荡。国外学者对此现象进行了深入研究[7-8]，主要有以下几种补偿算法。

（1）DIM（DoubleInterpolationMethod）

通过线性插值来解决离线定步长仿真中开关延迟问题在某些仿真软件中已经得到了成功的应用，DIM方法通过两次线性插值来解决定步长实时仿真中的开关延迟问题，其主要原理如图5所示。开关事件发生的时刻为te，但直到固定采样点时刻才被检测到，算法的具体过程为：a.由X1和X2线性插值得到Xe；b.将Xe作为初始状态解算到一个中间状态Xe+Ts；c.由Xe和Xe+Ts线性插值得到X′2。DIM方法从t2时刻检测到开关事件直到t3时刻计算出状态X3，经过了两次插值计算和两次正常解算步骤。该方法对于实时仿真来说计算量较大，但仿真结果非常准确。

（2）IEM（Interpolation-ExtrapolationMethod）

IEM方法原理如图6所示，其算法具体过程前两个步骤与DIM的一样，在得到Xe+Ts后，并不是往后回到t2点，而是直接线性外推得到t3时刻的状态X3。该方法从t2时刻检测到开关事件直到t3时刻计算出状态X3，经过了一次插值计算、一次正常解算步骤和一次外推计算。与DIM方法相比，该方法计算量稍小，仿真结果准确度稍差。

（3）PCM（Post-CorrectionMethod）

上述两种补偿方法都是通过修改状态来解决开关延迟问题，算法较为复杂，而PCM方法则另辟蹊径，通过修改开关函数来解决开关延迟问题，其原理如图7所示。图7（a）表示一个关断的开关事件发生在te时刻，经过定步长仿真后增加了A1区域误差，PCM方法则在下一个仿真周期减去A1面积用来校正仿真结果；类似的，图7（b）表示一个导通的开关事件发生在te时刻，经过定步长仿真后丢失了A2区域，PCM方法则在下一个仿真周期加上A2面积用来补偿仿真结果。

（4）GSAM（GatingSignalAveragingMethod）

该方法与PCM方法一样，也是通过修改开关函数来解决开关延迟问题，它基于平均值的思想，根据每个采样周期的占空比在下一个周期修改开关函数，保证其平均值相等，其原理如图8所示。该方法与PCM方法一样原理简单，而且实现方便，特别需要指出的是，该方法在一个仿真步长内能够处理“多重开关”事件而不会引起额外的延迟。“多重开关”[2]是指在一个步长内的不同时刻会出现多次开关动作，如图8中t1到t2时刻的一个仿真步长内出现了两次开关动作，则称之为“多重开关”。国外最新研究表明，上述4种补偿算法在仿真频率为开关频率10倍以上时能取得较满意的效果，如果仿真频率不能满足该要求，则补偿算法仿真精度较低。例如，若开关频率为2~5kHz，则仿真频率至少为20~50kHz（对应仿真步长为50~20μs），20μs的仿真步长是目前常规处理器的处理极限，也就是说，上述补偿算法对于开关频率高于5kHz的电力电子系统仿真是不准确的。另外，高开关频率将会使得定步长仿真中出现“多重开关”现象，同样也会影响仿真精度。开关频率与仿真步长对仿真结果的影响如表1所示。由以上分析可知，各种补偿算法并不能从根本上解决开关延迟问题，如果要从根本上解决开关延迟问题，必须将仿真步长缩短至足够小。但常规处理器无法做到这一点，而基于FPGA技术的仿真器能很好的解决这一问题。近几年来，FPGA技术逐步应用于实时仿真领域，从用于PWM脉冲捕获的硬件I/O板卡开始，到用于超高速计算的处理器板，都采用了FPGA技术，目前主流的实时仿真系统如dSPACE、RT-LAB都提供了此类板卡。采用基于FPGA的处理器板可以将实时仿真步长缩短至ns级，从而不需任何补偿即可解决电力电子系统仿真图8GSAM补偿算法Fig.8GSAMcompensationalgorithm表1开关频率与仿真步长对仿真结果的影响Tab.1Theimpactofswitchingfrequencyandsimulationsteponsimulationresults开关频率/kHz122仿真步长/μs50500.5仿真结果误差±5%±10%±0.1%的开关延迟问题。但是由于基于FPGA建模难度较大，限制了其在复杂系统仿真中的应用，目前采用较多的方法是将FPGA处理器板与常规处理器板结合起来进行实时仿真——对实时性要求最高的模型让其在FPGA处理器板中运算；而对实时性要求稍低的模型则可以放在常规处理器板中进行运算。

2.3数值积分方法

电力电子系统仿真涉及到大量的微分方程，选择合适的数值积分方法对这些微分方程进行求解至关重要。数值积分方法按不同类型可以分为单步法和多步法、显式和隐式、定步长和变步长。如前所述，实时仿真只能采用定步长方法，隐式算法稳定性较好但需要进行迭代计算，实时仿真时较少应用，所以一般在实时仿真都采用定步长的显式算法。较常用的数值积分方法有欧拉法和龙格库塔法。但由于电力电子系统数学模型大多数情况下都属于“刚性方程”，容易出现数值不稳定问题，当采用常规显式算法出现数值振荡时，可考虑采用稳定性较好的梯形法、Gear法等隐式算法。总之，不同的数值积分方法具有不同的稳定域和解算精度，仿真步长的选择也与之相关，在实际应用中，应根据实际情况选择合适的仿真步长与数值积分方法，保证仿真的数值稳定性、实时性和仿真结果的准确性。

3结语

本文从建模技术以及实时仿真平台、开关延迟问题、数值积分方法等关键技术方面对电力电子系统硬件在回路半实物仿真系统构建进行了探讨，可以得出以下结论：

（1）对于电力电子系统建模技术，详细模型、理想开关模型、平均模型3种方法的模型复杂程度由高到低，而实时性却是由低到高，可根据不同层次的仿真需要进行选择。其中，理想开关模型对于系统级实时仿真来说最为合适。

（2）实时仿真平台是实现半实物仿真的重要基础和技术保障，可根据仿真系统的应用范围、规模、成本、可靠性要求等多方面综合选择。

第6篇：开关电源的设计与仿真范文

关键词：Multisim；单管放大电路；仿真分析；放大电路

中图分类号：TN7；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模拟电子技术是电子、通信类专业的一门专业基础课。通过这门课的学习，使学生掌握电子电路的基本理论与基本实验技能，并初步具有电子电路的设计和创新能力。随着科技的发展，电子电路分析和设计方法实现了现代化和自动化，在教学中适当引用计算机辅助工具实现硬件设计软件化，让实验变得简单、方便，同时可帮助学生快速理解理论知识。使用Multisim软件不仅可以快速设计电路，还可与理论设计进行比较，为电路的进一步调试提供便利，极大地缩短了产品的研发周期。

本文以典型的单管放大电路为例，具体介绍了利用Multisim设计单管放大电路，并对其进行静态和动态分析，得到放大电路的静态工作点，分析静态工作点的影响因素；在动态分析的基础上得到了电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及带宽。

1 Multisim仿真软件功能及特点

学习电子技术，不仅要熟练掌握电子器件以及电路的基本原理、参数计算方法，更重要的是对电路的分析、应用以及开发。Multisim是一款在业内广泛采用的电子电路仿真与设计软件，其功能强大，能最大化满足使用者的需求，其拥有的专业功能可以轻松处理较为复杂的电路设计。它包含电路原理图的输入、电路硬件描述语言输入，具有丰富的仿真分析能力，元件库中提供了大量仿真模型，确保了仿真结果的准确性、真实性和实用性，并集成了多种虚拟仪表，包含大量设计实例、课程设计和研究项目，使得实验更加简便快捷。

2 单管共射放大电路设计

根据NPN型晶体管的特性，设计一个输入电阻为Ri、输出电阻为Ro、电压放大倍数为Au的共射放大电路，电路设计具体过程如下：

（1）晶体管是放大的核心元件，输入信号为正弦波电压Ui。在输入回路中，加入基极电源VBB使晶体管基极与集电极之间的电压UBE大于开启电压UON，并与基极电阻Rb同时决定基极电流IB；在输出回路中，应该让集电结反向偏置，使晶体管处在放大状态，所以集电极电源VCC应该足够高，这里取12 V，基本共射放大电路如图1所示。

（2）在实际电路中，通常用一个直流电源代替基极电源和集电极电源，为了设置合适的静态工作点，在输入回路中增加一个电阻Rb1，得到如图2所示的直接耦合共射放大电路。

（3）加入输入信号时，图1的Rb和图2的Rb1上均有电压损失，减小了基极与发射极之间的电压差值，影响了电路的放大能力。由于电容有“隔直通交”的作用，在输入端加入大电容C1，使输入信号可以无损失地加在基极与发射极之间，在输出端加入电容C2，连接放大电路与负载。为了稳定静态工作点，并增大放大电路的交流电压增益，在发射极端增加一个电阻Re和一个电容Ce并联电路，具体电路如图3所示。

3 静态工作点分析

为保证放大电路不失真地对已知小信号进行放大，设置合m的静态工作点非常必要。将输入信号置零，使直流电源单独作用时，将基极电流、集电极电流、晶体管b-e间电压和管压降称为静态工作点Q，通常记为IbQ、IcQ、UBEQ、UCEQ。在图3所示的阻容耦合共射放大电路中，已知Vcc=12 V，Rb1=5kΩ，Rb2=15 kΩ，Re=2.3 kΩ，Rc=5.1 kΩ，RL=5.1 kΩ；晶体管的β=50，rbe=1.5 kΩ，UBEQ=0.7 V，分别取C1、C3、Ce为30 μF、10 μF、50 μF。根据晶体管特性以及回路方程，估算静态工作点。因为（1+β）Re>>Rb1∥Rb2，所以 ：

（1）

（2）

（3）

（4）

然后通过Multisim的仿真功能与菜单栏Simulate选项中Analysis and Simulation中的DC Operating Point Analysis直接测出b、c、e的节点电压和Rc的支路电流。静态工作点分析如图4所示，其中V（b）=2.98 V， UCEQ=V（c）-V（b）= 6.80V-2.35 V=4.45 V， I（Rc1）=1.01 mA，由此可以看出仿真结果与理论估计值接近。

通过公式（1）～（4）可知，静态工作点与Rb2的取值有关，Rb2越小，静态工作点越高。将Rb2换成最大阻值为100 kΩ的滑动变阻器。改变Rb2，采用直流仿真方法测出四组不同阻值下的静态工作点，数据结果见表1所列，可以看出随着Q点的增高，IEQ越大。

4 动态参数分析

在电路的交流通路中，用h参数等效模型代替晶体管得到交流等效电路，这样的分析方式称为h参数等效模型分析。电容对交流信号短路，晶体管用h参数模型代替，画出图3的交流等效电路图如图5所示。电路的放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro称之为动态参数，根据电路的回路方程，可以得到动态参数的表达式：

（5）

（6）

（7）

在输入输出端接入万用表，设置为交流电压档，测得输入端电压为14 .142 mV记作Ui，输出端电压为1.173 V记作Uo，根据公式（5）计算得到放大增益Au为83.57，输入输出电压如图6所示。也可以放入双踪示波器，A通道连接输入端，B通道连接输出端，打开仿真开关，得到图7所示的输入、输出波形，可以看出输入输出波形有180°的相位差，并且输入波形被放大了81.5倍，与理论值相差甚微。

在输入端并联一个电压表，串联一个电流表，测得输入端电压和电流，通过计算得出输入端电阻Ri为1 kΩ；在输出端采用同样的方式得到输出电阻Ro为5 kΩ，电表均设置为交流档（即AC档）。由以上分析可知理论计算数值与仿真结果基本一致。

用波特图示仪测试电路的幅频特性曲线，共射放大电路幅频如图8所示。由图可知中频电压增益为39.834 dB，根据频带宽度的测量原理，移动测试指针，使幅度值下降3dB，找到半功率点，低端频率fL约为134.4 Hz，高端l率fH约为1.425 MHz，同时计算出放大器的频带宽度fW=fH-fL≈1.4MHz。

5 结 语

利用Multisim仿真软件对单管共射放大电路进行设计和仿真，对电路的静态工作点和动态参数进行详细分析，理论与仿真结果基本相同。在仿真过程中充分利用Multisim的多种仿真方式，快速得到仿真结果，先仿真后制作增加了设计成功率，提高了实验效率。作为教学辅助工具，该设计方法对其他电子电路的设计有一定的参考价值与不可估量的作用。

参考文献

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[3]吕曙东.Multisim10在差动放大电路分析中的应用[J].现代电子技术，2010，33（22）：24-27.

[4]刘俊清，赵海，张玉梅.基于multisim10的单管放大电路的仿真[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2012，8（4）：55-56，66.

[5]代素梅，刘照红，钟宁.单管放大电路静态工作点仿真分析[J].测控技术，2014，33（12）：143-146.

[6]付扬.Multisim在仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011，30（4）：120-122.

第7篇：开关电源的设计与仿真范文

【关键词】Multisim 供配电技术 课程教学 应用

【中图分类号】 G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）03C-0179-03

一、传统式的教学方法及效果分析

传统式的教学方法，一般采用以下基本程序：复习旧课―激发学习动机―讲授新课―巩固练习―检查评价―间隔性复习。这种以教师为主导的教学方法，其教学效果受到很多因素的制约，一是教师的专业技术水平，二是教师的语言表达能力，三是授课对象注意力的集中程度。而在上述三种因素中，最不稳定的是授课对象的注意力，不仅控制难度大，而且对教学效果也是最具“破坏力”的因素，尤其在信息化快速发展的今天，人们获取知识的途径已经显现多样化，过去那种“跟着老师在课堂上学”的教学方法也将受到前所未有的冲击。面对自我意识更强的授课对象群，在知识的传授过程中，如果还把学生当做被动的接受者，结果只会增加学生的逆反心理，不利于激发学生的学习积极性、主动性和创造性。

供配电技术是一门融理论性、工程性和实践性于一体的专业技术课程，该课程主要面向的职业岗位群有三大类：一是变电所（站）值班员与维护员、供配电设备检修员与设备管理员；二是建筑配电系统设计员与安装员；三是供配电设备制造所需要的工艺员、检查员、维护员、调试员等。按岗位目标的要求和教学的目的，不仅要使学生明白“为什么”，而且要教会学生“怎么做”，实现教、学、做一体。然而，要实现这个教学目标，仅有好的师资队伍是不够的，还需要相对完善的实训设备系统来支撑。

任何事物的发展都要经历一个逐渐成长的过程，实训基地的建设也不例外，在实验实训设备不足的情况下，如何才能最大程度地提高教学质量？引入现代教育技术辅助教学，是一个不错的选择。

二、Multisim强电仿真功能的开发

Multisim是一款电子应用仿真软件，它具有强大的元件库功能，通过对其中机电元件库功能的开发，实现了Multisim在强电环境下的仿真应用。下面以“功率因数测试与无功功率补偿”为实验项目，介绍具体电路的设计与仿真运行的方法。

（一）实验模型的设计

1.变电所类型的选择。电力系统主要由发电厂、变电所、输电线路和用电设备等四大要素构成，从变电所的配置上看，车间变电所位于系统的末级，是所有用电设备与电网连接的桥梁，其数量最多，接触面最广。因此，在设计“功率因数测试与无功功率补偿”仿真电路模型时，选择了车间变电所作为基本模型。车间变电所的基本结构由10KV电源进线、10KV高压断路器、三相变压器、低压断路器、用户设备与电容补偿装置等构成，如图1所示。

图1 车间变电所电气系统图

2.中性点运行方式。车间变电所输入电压为10KV，而输出电压为220/380V，为满足给三相和单相负荷供电的要求，采用中性点直接接地的运行方式，输出模式为典型的“三相四线制”，即三个相线和一个中性线，也称为N线或PN线。

3.主要技术指标。（1）变电所受电电压，即配电电压为10KV。（2）变电所馈出电压，即输出电压为220/380V。（3）变压器采用10/0.4KV三相变压器，联结组标号为Dyn0。（4）负载配置：三相异步电动机2台，单相照明设备3组，额定功率3×1000W，分别接于三相四线制的U、V、W相上，未接补偿电容器时系统总的功率为117KW。（5）补偿前系统高压侧的功率因数为0.817，补偿后高压侧的功率因数≥0.9。（6）无功功率补偿选择并联电容器法，电容器的采用连接，补偿装置的接入点为变压器低压母线。

（二）仿真电路的设计

仿真软件的版本为Multisim9，设计内容：车间变电所“功率因数测试与无功功率补偿”电路。设计的步骤如下：

1.仿真元件的创建与选择。从仿真元件库中选择元件，是Multisim仿真电路设计的第一步，只有选择与供配电系统相匹配的仿真元件，才能实现相应的仿真功能。

（1）三相变压器的创建。车间变电所电气主接线图仿真电路的设计，关键的问题是解决三相变压器元件的创建及参数的设置，因为在Multisim9现有的元件库中无法找到符合车间变电所需要的电力变压器的元件模型，本设计方案利用元件库里现有的虚拟变压器进行组装。具体做法是：将3个变压器的一次绕组6个接头按照头尾相接（注意变压器的同名端）的原则接成，再从三角形的3个顶点各引出一根线，分别与三相交流电源的三个相线相接；将3个变压器的二次绕组的6个接头接成星形，即将3个变压器的二次绕组的3个异名端连接在一起，并直接与地相连接，作为车间供配电系统的N线，变压器另外3个同名端各引出一根线作为车间供配电系统3个相线U、V、W。仿真模型如图2所示。

图2 三相变压器仿真模型

（2）10KV三相交流电源及其它元件的选择。10KV三相交流电源，可直接从电源库中选择，方法是在元件工具栏里找到电源库的图标，双击打开该元件库，选择信号电压源即可，如图2的V1所示。其余电路元件可从Multisim9相应的元件库中查找。

2.元件参数的设置。对于车间变电所“功率因数测试及无功功率补偿”的仿真电路来说，对仿真运行影响较大的元器件是三相变压器和10KV交流电源，参数设置方法如下：

（1）三相变压器的参数设置。本设计所选择的变压器，是由元件库里虚拟的单相变压器组装而成，其特点是各相磁路独立，因此，对每个单相变压器的参数设置要完全相同。首先，确定变压器的变压比。根据国家标准GB156-1993《电压标准》规定，车间变电所高压侧的额定电压10KV，低压侧的额定电压220/380V，因此，其变压比为：

（1）

如果变压器的二次绕组为100匝，那么其一次绕组的匝数为：

（匝） （2）

其次，确定变压器初次绕组的电阻。以一个100KV.A的全密封式三相变压器为例，其型号：S9-M-100/10。主要性能参数：空载损耗0.29KW、短路损耗1.5KW、空载电流1.6%、阻抗电压4%，由此可推算变电压器的励磁电阻Rm：

（3）

“变压器在空载时，”，因此，该变压器一次绕组的直流电阻约为20Ω左右。仿真试验时，该电阻值可在20～60Ω的范围内选择，具体数值需要根据负荷的大小而定。而变压器二次绕组的直流电阻一般均小于1Ω，具体数值的选择也需视负荷的大小而定。值得注意的是，3个单相变压器的参数设置要相同，设置的参数包括：初级匝数、初级电阻、次级匝数、次级电阻，其它参数采用系统默认值。

（2）10KV交流电源的参数设置。Multisim9元件库所提供的交流信号源，其有效值为相电压值，而车间变电所高压侧10KV的输入电压为线电压，因此，该交流信号源的电压为：

（4）

因此对信号源参数设置为： “Voltage”为5774V、“Frequency”为50Hz。

3.仿真电路的连接。完成元件查找后，可按车间变电所电气主接线图的连接关系，合理调整元件的布局，并将电路接通，如图3所示。

图3 车间变电所“功率因数测试及无功功率补偿”仿真电路图

（三）仿真运行

1.补偿电容器组接入前的仿真运行。车间变电所“功率因数测试及无功功率补偿”仿真电路图如图3所示。仿真运行时，先闭合出线断路器S2，后合高压断路器S1，此时，照明灯X1、X2、X3被点亮，各电压、电流表相继显示各线路的额定电压及负载电流值。双击图3所示的功率表XWM1，如图4所示。表中显示的数据即为系统的有功功率和功率因数。

图4 无补偿的功率和功率因数

2.系统无功功率补偿量的计算。从图4所示的测试结果可知，未接入电容补偿装置前功率因数只有0.817，不符合我国电业部门规定的≥0.9的要求，因此，需要对该系统进行无功功率的补偿，补偿的方法采用在低压母线并接电容器的方法。

（1）无功功率补偿量的计算。无功功率补偿量用Qc表示，考虑到变压器的无功功率的损耗远大于有功功率的损耗，因此，在变压器低压侧补偿时，低压补偿后功率因数应略高于0.9，本设计方案按0.95计算。

（5）

取整数。

（2）需接入并联电容量的计算。并联补偿电容器采用形连接，并联电容器的装设位置采用了低压集中补偿的方式，C=1μF时，其三相无功功率补偿量为：

（6）

那么单相无功功率补偿量为（电容器C=1μF时）：

（7）

需要并联电容器的总容量：

（8）

（3）补偿电容器的个数及分组。补偿电容器采用连接，若每个电容器的容量为100μF，12个电容器共计1200μF，考虑到电容器的无功损耗，因此补偿量稍大是合适的。每组需3个电容器，12个电容共分为4组。其连接关系如图3所示。

3.补偿电容器接入后的仿真运行。在补偿电容器接入前仿真运行的基础上，依次闭合S3和S4，将补偿电容器接入系统，此时测试的数据即为补偿后有功功率和功率因数，双击图3所示的功率表XWM1，即可显示所测试的结果，如图5所示。

图5 补偿后的功率和功率因数

从测试结果可以看出，并接电容补偿装置后的功率因数达到0.923，基本满足了设计要求。在功率因数提高的同时，系统的有功功率也由原来的117.326KW增加到133.975KW，这是由于变压器的无功功率损耗所造成的。

三、教学过程的设计与课时安排

教学过程的设计，以创设真实的工作情景为指导，以完成车间变电所“功率因数测试与无功功率补偿”仿真电路的设计与运行为主线，通过让学生亲自参与项目的实验，达到“做中学”的教学目的。

基于Multisim“功率因数测试与无功功率补偿”电路设计及仿真运行的成功，为Multisim在供配电技术实验教学中的应用打下了良好的基础。利用现代仿真技术开展辅助教学，模拟真实的供配电系统，将复杂、抽象的理论问题，通过仿真实验进行直观、形象化的教学，既有效激励了学生的求知欲望，更重要的是通过让其参与仿真实验，学到了许多分析和解决问题的方法。

【参考文献】

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[5]唐志平，魏胜宏，杨卫东. 工厂供配电[M]. 北京：电子工业出版社，2002

【资助项目】2011年广西高校科研立项项目（201106LX808）

第8篇：开关电源的设计与仿真范文

关键词：： 数字电路；实时连续仿真； 时间片分割

引言：

电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，正在由以仪器仪表为测量工具的传统分析方法逐步向以计算机为工作平台的虚拟分析方法过渡，同时由于社会对网络教育的强烈需求和相关技术的快速发展，使得虚拟电路实验和远程教育日益结合，成为网络虚拟现实研究的新热点。通过对相关技术进行了可行性分析，结合多年的教学实践经验，开发了虚拟电路实验平台，系统分为客户端的用户界面层、服务器仿真引擎的数据处理层、仿真层以及客户端和仿真引擎之间的传输层。其中实时连续仿真则是在开发的过程中遇到的一个技术难点。由于实时性和多用户同时仿真的需求，系统在后台采用了分割时间片的技术，并根据电路状态的连续性，在时间片的结束点保存电路状态，在开始点重置电路状态，从而支持实时连续的远程电路实验。

一 虚拟实验的研究现状

虚拟实验分为有实验室支撑的实验模式和没有实验室支撑的实验模式。前者是一种"虚拟仪器版面一硬件设备"操作的模式。后者没有真实的实验室作为支撑，全部使用仿真技术、虚拟现实技术以及网络技术等高科技手段创造虚拟实验环境，实验者像在真实的环境中完成实验的各个环节，比前者更经济，更容易建立实验系统，也更方便实验者，是目前乃至今后的主要发展方向。电子电路虚拟实验作为虚拟实验的组成部分，也得到了快速的发展。而针对远程教学的仿真软件，或者着重于多媒体演示，功能简单，交互性差，或者没有强大的后台支持。远程教学仿真软件不能利用单机版的仿真软件，建立功能强大，交互性强，能够实时连续仿真的远程虚拟实验平台，使得远程实验教育难以得到有效发展。

二 虚拟电路实验平台的系统构架设计

要设计的"虚拟电路实验平台"系统，硬件构架采用B/S结构，用户通过装有Flash插件的浏览器与实验平台交互，搭建电路，并观察输出结果。用户信息和实验信息保存在MySql数据库中，后台的核心XSPICE仿真软件，进行仿真计算。系统的软件构架设计如下：1）界面层采用多媒体技术构造实验板及各种元器件，用来与用户交互并显示仿真结果。2）传输层通过socket传输XML格式的实验数据，实现客户端与仿真引擎的数据交换。3）数据处理层解析XML格式的用户实验操作的数据，并转换为.Cir文件所需的语法格式；构造XSPICE所需的仿真输入文件（.Cir）；分析XSPICE仿真后的输出文件（.Out），提取实验所需数据； 以XML格式封装仿真数据，准备发送。4）仿真层调用XSPICE进行仿真计算。XSPICE是一个优秀的电路仿真软件，它把Cir文件作为仿真参数文件输入，由仿真程序运算后得到仿真结果，输出到Out文件。

三 实时连续仿真技术的实现

在基于仿真的远程电路虚拟实验系统中，往往需要使用电路仿真软件，如SPICE、XSPICE等，通过它们的瞬态仿真功能获得电路输出数据，先仿真电路状态变化的全过程，再输出全部仿真结果。在电路实验中，模拟电路虚拟实验往往瞬间就可以达到稳定状态的，之后电路状态就不再变化。像这样的电路，在进行仿真的时候可以只显示电路达到稳定之后的状态，也就是只显示一次。正好符合SPICE、XSPICE等仿真软件的要求。类似的还有自动脉冲输入的数字电路。下面以接有自动脉冲输入的时序逻辑电路为例，讨论实时连续仿真技术。

1.分段仿真原理。真实情况下的实时连续仿真，实验者只要按下仿真开关，电路就会源源不断地把数据显示在界面上。但是仿真引擎使用的XSPICE并不是一个实时连续仿真软件，在使用XSPICE进行电路瞬态仿真计算的时候，必须等到XSPICE仿真结束才能得到仿真结果，进而分析显示。而XSPICE的这种功能特性与虚拟实验中所要求的连续不断地计算并显示电路输出数据，并能根据用户的交互实时作出响应是有矛盾的。为此，可以采用分段仿真的方法，即设定一仿真时间段tb，仿真引擎让XSPICE每次瞬态仿真只计算tb 时间长度的电路输出数据，然后将数据发送到客户端，客户端则按照结果数据中的时间戳在相应的时间点上改变显示输出。等到tb时间之后，客户端得到的数据显示完毕.仿真引擎再计算下一个tb 时长度的电路数据并发送给客户端。

在电路实验教学中，多数电路并不复杂，输入时钟信号的频率也不太高，因此基本可以满足这一要求。仿真引擎每次仿真一个时间片的数据，并把它传送给客户端，客户端以仿真结果中的时间戳为序，把数据保存在一个FIFO队列中，然后根据时间戳依次从队列中取出数据进行显示。当客户端发现队列中的仿真数据即将被显示完时，就发送一个队列空的请求到仿真引擎。考虑到网络传输时间和仿真程序的运行时间的消耗，客户端发送继续仿真的请求需要有一个时间上的提前量，尽量避免出现冒泡FIFO队列已空，而客户端还未收到仿真引擎的下个时间片的仿真结果，导致显示出现停顿的情况。

2.电路状态重置。由于时序电路的输出是由电路的输入和当前状态决定的，因此在进行分段仿真时，必须保存每个时间片结束时的电路状态，并在下一个时间片的仿真开始时用它来设置电路的初始状态，从而可以保持在整个仿真过程中电路状态的连续。可以把第i个时间片的t时刻的电路状态表示为：

Sit=[αφ]，i∈[i，+∞]，t=[0，tb]其中 α=[α1，α2，…，αn]T 为各触发器状态，n为电路中的触发器数，φ= [φ1，φ2，…，φm ] 为各输入时钟脉冲源的相位，m为电路中的输入源数。那么时间片i中，t时刻的电路状态与0时刻电路状态的关系是：Sit=F（Si0，t），其中F是由实验电路决定的状态变换函数。

3.用户交互。上述仿真算法中，整个仿真过程被分割成一个个时间片来分段仿真，每一个时间片的仿真结果是在认为这个时间片内没有用户交互，实验电路的结构和参数没有发生变化的情况下得到的。然而，用户有可能在一个时间片的任何时刻对实验电路进行操作，例如调整了信号发生器的信号输出频率或者幅度、按下了电路板上的按钮等。在发生了用户交互的情况下，由于电路已经发生了变化，有可能导致电路的输出也发生变化，因此这个时间片中剩余的还没有显示的数据就将成为无效数据。所以当发生用户交互时，客户端需要清空未显示的数据队列，向仿真引擎发送交互请求，并传送交互时间t1，仿真引擎根据发生交互的时间点，可以根据当前时间片的输出数据计算出t1时刻的电路状态St1i，其中i是发生交互的时间片编号。

四 结束语

第9篇：开关电源的设计与仿真范文

关键词：模块化多电平换流器 电磁暂态模型 梯形积分理论 诺顿等效电路

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0055-04

1 引言

传统高压直流输电采用的是电压源变流器技术，由于这种多电平变流器控制复杂、制造和工程实践难度大，实际运行的装置多使用二极管箝位的二电平或三电平变流器，输出谐波含量较大，为保证电能质量满足要求，需配有较大容量的滤波器，损耗较高。通常，变流后输出电压的电平数量越多，谐波含量越少，若同时能以较低的开关频率实现，则损耗也能够控制在较低的水平。为此，2001年文献[1]中首次提出了MMC技术，这种基于串联半桥模块的技术，克服了高压输电电压高与电力电子器件耐压低之间的矛盾，也克服了变流过程中谐波大、损耗高的缺陷。当电压等级提高时，无需复杂的控制，只需要简单的增加SM的数量，就可以保证装置的可靠运行，是目前最具前景的高压直流输电技术。

实际工程中，MMC单个桥臂采用的SM数量已经超过400个，考虑到SM器件均压、驱动以及整个系统的保护，通过电路仿真详细的模型然后再使用计算机计算，时间长，以320kV单极运行直流输电为例，仅双端电源、输电线路换流器及其控制部分，在I7 4790k主频4.5GHz，16G/2.4GHz内存的计算机上，仿真步长40μs，对运行3s的直流线路进行故障仿真以验证保护是否正确动作，需要的机器时间5077s，更复杂的电力系统时，如多端MMC直流输电线路，仿真时长将达到数千小时[2]。修改一次参数都要重新仿真，降低工程设计效率。因此需要在满足MMC装置控制和运行特性的前提下，满足工程误差允许内，简化MMC仿真模型，降低仿真所需r间。

目前MMC简化模型有许多研究，最新研究主要分为三类，如图1所示。

（1）戴维南电路的等效模型，通过子模块电力电子电路的简化加速仿真速度，但每个SM的运行状态准确获取的难度较大[3][4]；（2）开关函数模型，忽略桥臂内SM的串联均压关系，将桥臂简化为一个开关器件，但该方法无法研究MMC故障时其内部模块的保护，是仿真速度非常快的方法；（3）平均值模型，与开关函数模型类似，同样忽略了内部SM连接方式，交流侧和直流侧分别用可控电流源和电压源代替，是仿真速度最快的方法，缺点与开关函数模型一样[5]。戴维南等效电路的模型比较符合需求，除了可以仿真MMC正常时的运行特性，也可以仿真故障时的保护特性，而开关函数模型和平均值模型主要用于研究MMC的谐波和功率输出特性。戴维南电路的等效模型应用较多，但子模块数量没减少，计算效率还有优化空间。

本文提出了一种状态空间离散电路分析方法，对上述模型进行改进：引入通断电阻，采用诺顿等效的方法进一步简化了戴维南等效后每个桥臂的模型，利用电磁暂态算法中的梯形积分原则，用等效历史电流源和并联电阻代替SM中的电容，基于离散状态空间分析将每个桥臂简化成等效离散诺顿电路，既保留了每个SM的状态空间特性，使得仿真过程每个SM的电气量均保存在计算结果中，又有效降低仿真电路中的节点数量，提高仿真速度。最后对MMC简化模型与详细建模的仿真进行对比。

2 MMC离散化SM戴维南等效模型分析

MMC电路拓扑结构如图2所示，每个桥臂由N个子模块组成。

每个子模块的详细模型和4种开关状态，如图3。K1高速短路开关在SM非正常触发时起保护作用；K2晶闸管检测到故障电流时导通用于保护SM中的IGBT模块不损坏。

正常工作时，每个SM均由门级信号g1i和g2i控制（i表示SM的编号），交替导通，SM的电压VSMi等于电容电压Vci；还有一种特殊状态是MMC启动或者故障时，SM的两个门极信号均为关闭状态，此时VSMi取决于此时电流的流向，可能为图3（b）中的1或4，处于这种状态时，SM中的电容仅能通过二极管S1i充电，无法放电。

SM详细建模时，需要用理想可控开关、考虑VI特性的二极管以及缓冲电路模拟IGBT器件，能够真实的反映IGBT处于开关状态时的非线性特性，这在原型机验证时非常重要，但在工程应用时完全可以忽略IGBT的非线性对实际运行的影响。为了简化上述模型，本文使用开关电阻Ron和Roff代替IGBT模拟SM的工作状态，如图4（a）所示，图中R1i和R2i为第i个SM的开关电阻，当IGBT导通时值为Ron，截止时为Roff。

根据隐式梯形积分理论[6]，若时间步长为，则此时SM中的电容可以等效为图4（a）中电流源和电阻RC（）并联，上标h表示时间为时的历史值，图4（a）可等效为图4（b）的电压源和RC串联。则单个桥臂的电压为所有SM电压之和，即

则电路可继续简化，如图4（c）所示。

其中第i个SMi等效电阻为，

传统的戴维南等效法虽然能将MMC桥臂简化为电阻和电压源串联的3节点电路，但等效过程中忽略了每个SM的运行特性，因此只能用于研究MMC的谐波和功率输出特性，无法研究内部SM模块的均压或保护等问题。

3 MMC桥臂诺顿等效模型及其算法实现

为了改进MMC桥臂传统戴维南等效分析方法，本文提出的诺顿等效电路降低了MMC每个桥臂的节点数量，从3节点降低为2节点，同时与该电路配合的算法还可以保留每个SM的输出状态。

3.1 MMC桥臂诺顿等效模型

根据状态空间节点法[7]，任何一个线性电路的输入输出关系均可以用式（5）表示，

由式（7）可知，若yt表示某时刻线性电路中的输出电流，上式等右边第一项可表示为历史电流源，而第二项可以表示为恒阻抗与电压源的乘积。因此可将式（1）转换成诺顿电路的表现形式，

可得到MMC桥臂诺顿等效电路，如图5所示。

3.2 MMC桥臂等效电路的算法

MMC每个桥臂等效为诺顿等效电路，但是每个桥臂的电压和电流在等效过程中均存储在仿真结果中，因此也就保存了每个SM的工作特性，相比传统戴维南简化电路无法获知每个SM特性而言，是重大的改进。由于采用开关电阻等效，仿真时长相比详细建模极大的减小，算法实现如下：

（1）利用式（8）将初始电压代入，根据开关的初始状态，计算出桥臂电流。

（2）根据触发信号状态，调整图4中每个SM的R1i和R2i值：当SM为导通状态，则R1i=Ron，R2i=Roff；当SM为截止状态，则R1i= Roff，R2i=Ron；当SM为启动或故障运行状态，若iarm大于零，且vSMi大于vCi，则等同于SM导通状态，若iarm和vSMi均小于零，则等同于SM截止状态，其余状态均视为R1i=R2i=Roff。

（3）计算图4中通过每个SM电容的电流和端电压：

（4）利用式（2）以及式（3）计算SM戴维南等效电路中的和。

（5）利用式（1）计算每个SM的电压和桥臂的总电压。

（6）利用式（8）-（10）计算MMC每个桥臂诺顿等效电路中的和桥臂电流。

（7）返回步骤1，将此次计算中得到的作为下次计算的初始电压，重复步骤2到7直到仿真结束。

4 仿真验证

为了验证本文所提方法的有效性，在EMTP软件中搭建了MMC单极运行的详细建模和诺顿等效仿真模型，两端对称配置，仿真模型如图6所示，以送端为例。即400kV电源经主断路器与YD11降压变压器连接，在于与MMC主电路之间设置涌流抑制断路器BK2限制启动时的充电电流，与其并联的电阻设置为1000Ω，待稳定后合上断路器BK2短接限流电阻。送端MMC经70km直流电缆输送到受端，并在受端电源处设置三相对地短路故障。总仿真时长为3s，运行1.5后发生故障，持续0.2s。

基于诺顿等效的模型在176s后得到运行结果，相比详细建模提高了29倍，送端MMC上下桥臂电容电压在装置启动时和故障时的仿真对比如图7所示。

等效模型在两种工况下的波形与详细模型基本一致，能够正确的反映每个SM的电容运行状态。

篇幅限制，波形比较不全部罗列，上述仿真结果已经能够满足工程对MMC仿真快速性和准确性的要求。大幅度提高了MMC的仿真速度，仿真结果误差小。

5 结语

本文基于诺顿等效电路，提出和实现了一种MMC电磁暂态建模方法，算法实现简单易于实现。仿真算法所需的节点数相比传统的戴维南等效建模方法更少，在仿真速度上相比SM详细建模建立的MMC模型提高了29倍，同时还解决了传统的戴维南等效建模方法无法正确反映各SM工作状态的难题，仿真结果准确。本文所提出的模型更具有工程实用意义，为实际中MMC的运行、保护整定和参数设定提供了研究平台，为MMC的推广应用奠定了良好基础。

参考文献

[1]Lesnicar A，Marquardt R.An Innovative Modular Multilevel ConverterTopology Suitable for a Wide Power Range[C].2003 IEEE Bologna Power Tech Conference. Bologna，Italy： IEEE，2003.

[2]徐建中.模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法研究[D].北京：华北电力大学，2014.

[3]Udana N.Gnanarathna， Aniraddha M.Gole，and Rohitha P. Jayasinghe， Efficient Modeling of Modular Multilevel HVDC Converters （MMC） on Electromagnetic Transient Simulation Programs，IEEE Transactions On Power Delivery， vol. 26，no. 1，pp： 316-324， Jan. 2011.

[4]管敏渊，徐政.模块化多电平换流器的快速电磁暂态仿真方法[J].电力自动化备，2012，32（6）：36-40.

[5]J. Peralta，H.Saad， S.Dennetière，J.Mahseredjian and S. Nguefeu，“Detailed and Averaged Models for a 401-level MMC-HVDC system”IEEE Trans.on Power Delivery，vol.27，no.3，July 2012，pp.1501-1508.

[6]H Dommel，Electromagnetic Transients Program Theory Book[M]， Bonneville Power Administration，1986.

[7]C.Dufour，J.，Mahseredjian，J.，Belanger，A Combined State-Space Nodal Method for the Simulation of Power System Transients， IEEE Transactions on Power Delivery，vol.26，no，2，pp.928-935，2011.

收稿日期：2016-09-05