Saber在电力电子技术仿真中的应用

Saber在电力电子技术仿真中的应用

徐鹏飞

徐鹏飞

烟台东方威思顿电气有限公司山东烟台264000

摘要：经济进步带动了Saber应用技术的进展加速，当下电力电子技术仿真的应用范围逐渐增加。为了保证Saber的整体应用效果，需要加强技术创新，充分提高其应用水平，从而实现电力电子技术仿真的理想目的。论文首先对Saber软件做了概述，分析了辅助教学课堂设计，并通过教学实例对此进行了深入研究。

关键词：Saber；电力电子技术；仿真；应用

1Saber软件的概述

电力电子技术相关课程涉及到多种学科的知识，它在高校电气工程相关专业中已经成为不可缺少的专业课，而且培养这方面的人才非常具有前沿性。电力电子技术课程包含电路原理、功率元件描述、波形分析等相关内容。如果教师在该课程中能够充分发挥多媒体教学资源的作用，同时加入仿真演示，将会让学生更加直观的了解电力电子功率使用的元件和电路原理内容等。

Saber是有美国的Synopsys公司将模拟和混合信息号相结合研发的一种仿真软件，它可以在不同型号的混合系统中实现仿真，该软件主要被电机学、电力电子、机械等专业教学应用。Saber软件中包含Simulator、Cosmos、Sketch、Scope等功能模块，这些可以实现多层次的设计、波形显示、仿真测试、电路仿真模拟等功能，该软件中的器件库中包括很多电力电子相关的器件模型，而且它还拥有一些集成电路芯片。在实际的应用情况中，Saber的模型库中所拥有的模型是有限的，这些模型是无法满足用户所有的集成电路模型的，所以，这时就需要使用MAST语言来对硬件进行设计。

该语言主要是通过微分方程（组）、线性或是非线性代数来实现对象的建模。而且一些IC生产商为了给用户提供更好的服务，在相应的网站上提供了一些关于Saber软件的模型，用户可以通过网络下载进而使用，这样对仿真系统进行操作就更加方便了。在利用仿真技术进行模型教学时，可以变换不同类型的分析方法，其中包括AC分析、瞬态分析、DC分析方法、傅立叶分析等，而且在对仿真演示分析完之后，还可以利用CosmosScope对每个节点相关信息号进行观测。Saber仿真技术在很多领域被使用，而且该软件的操作比较简单，所以，在电力电子专业教学中使用该工具，更有利学生对相关教学内容的理解和掌握，同时提高学生的实践能力。

2辅助教学课堂设计

本文会通过对“电力电子技术”相关内容对Saber软件在教学中的应用进行分析，分析其对教学中遇到的难题的帮助，以及对相关教学设计的辅助。在电力电子技术课程教学过程中，会涉及到许多使用功率元件的电路。为了达到理想的教学效果，通常要将功率元件理想化，将其等效为理想的开关，而理想开关的驱动信号又往往来自理想的脉冲电压源。这种教学方法虽然能够从理想的角度阐述电路原理，且学生也愿意从这个角度去理解问题，但在这个过程中忽略了一个重要问题，即在任何情况下功率元件都不是理想的，功率元件的驱动问题在某些情况下要比电路本身的工作原理更重要。因此，课程教学必须理论与实际相结合。在课程中引入仿真实验辅助教学可以达到以下的目的：（１）加强对重点、难点问题的阐述；（２）学生掌握理论知识更加深入；（３）更直观地对电路或元件进行波形分析和原理验证；（４）提高学生实践能力。

3教学实例

3.1工作原理分析

反激变换器的电路拓扑如图1，变压器兼起储能电感作用。根据电感电流是否连续将反激变换器分成电感电流连续模式（CCM）、电流临界连续模式、电流断续模式（DCM）。不同模式时电感电流波形，如图2所示，图中i1，i2分别为反激变换器变压器原副边电感电流，D为开关S的占空比，Ts为变换器开关周期。在期间，开关管S导通，电源向变压器原边电感线性充电，，副边整流二极管截止，输出电容放电向负载电能；在期间，开关管S截止，整流二极管副边导通，变压器能量通过整流二极管释放给负载及输出电容。

3.2电路主要参数设计

设反激变换器工作在CCM模式，其主要技术指标为：输入电压：20～32VDC。电压：180VDC，工作频率：300kHz，最大占空比：Dmax=0.6，输出功率：Po=300W，效率：η=80%。由反激变压器的工作原理可推导出主要参数的设计原则。

3.3仿真模型的搭建

新建一个SCH文档，查找所需元件，搭建反激变换器仿真模型，MOSFET的仿真模型为理想开关S、反并二极管DS及极间电容CDS。注：反激变压器不能用理想的变压器模型，必须选用线性变压器模型，其参数设置为原边电感量，副边电感量L2=n2L1=360μH。

3.4仿真参数的设置

仿真参数的设置即运行仿真之前对仿真时间、步长、截断误差等主要参数的设置，仿真参数的设置是否合理直接影响到仿真结果的真实性，进而影响到对电路原理的分析及参数设计的正确性。因此，学会正确设置仿真参数是应用Saber仿真软件分析电力电子电路最基本的要求。下面简单介绍仿真参数的具体设置原则。

1）仿真时间取电路达到稳态所需要的时间。在直流变换电路中，达到稳态所需要的时间受输出滤波电容影响很大，如本仿真电路中若输出滤波容为100μF则仿真时间可设置10ms，若输出滤波容为50μF，可将仿真时间设置成5ms。2）步长一般取不大于开关周期的1/300，本电路中取2ms。3）截断误差取0.00005。另外，在动态仿真前选择先进行静态仿真，并选择仿真结束后自动弹出波行。

3.5仿真结果分析

基于上述仿真参数设置，对反激变换器不计漏感的电路模型在不同负载情况下进行了仿真。电路输出电压的仿真波形，变换器在仿真开始后大约9ms时达到稳定工作状态。变换器在CCM模式及DCM模式时的稳态工作仿真波形。仿真结果与图2中原理波形一致，充分验证了原理分析的正确性。仿真结果还表明：反激变换器可设置其在负载较大时工作在CCM模式，轻载时工作在DCM模式，以减小整流二极管的反向恢复损耗，从而提高变换器的工作效率。

4结束语

总之，随着世界经济格局的不断变化和我国经济水平的持续提高，Saber在电力电子技术仿真中的应用将不断升级、革新，只有不断适应时代的发展和科技的飞速进步，与时俱进，才能将Saber技术应用水平提升至一个新的高度，实现最优化的电力电子技术仿真，造福子孙后代。

参考文献：

[1]陈仲.“电力电子装置及控制”课程教学设计的研究与探索[J].电气电子教学学报，2016（21）：88-89.

[2]叶斌.电力电子应用技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

[3]杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统[M].北京：清华大学出版社，2012.