02-理想開(kāi)關(guān)(已修改)
2025-08-05 01:45 本頁(yè)面
【正文】 計(jì)算機(jī)仿真在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 2022年 9月北京 OrCAD在仿真中的收斂性 在進(jìn)行 DC掃描和暫態(tài)分析時(shí)， PSPICE需利用牛頓拉夫遜法從一組初始近似值開(kāi)始，通過(guò)若干次迭代逼近非線性方程組的解。盡管實(shí)際的物理系統(tǒng)均是存在解的，但在利用數(shù)值方法進(jìn)行暫態(tài)過(guò)程求解時(shí)，往往由于解法的限制不能得到方程的解，即收斂到一組相容的電壓和電流。解決算法發(fā)散問(wèn)題的途徑一是確定一個(gè)合理的初值，但在實(shí)踐中并沒(méi)有一個(gè)一般的方法去尋找初值。其次是具有盡可能寬的動(dòng)態(tài)范圍，但由于計(jì)算機(jī)硬件的原因，目前版本的PSPICE算法的精度和動(dòng)態(tài)范圍均受到一定的限制，這包括： 1 由于采用雙精度算法， PSPICE的精度為 15位； 2 電壓和電流的量值限制在 ?1E10伏和安培的范圍； 3 導(dǎo)數(shù)的大小限制在 1E14以下； 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定 Pspice的運(yùn)行參數(shù)作為可設(shè)定的選項(xiàng)對(duì)于仿真計(jì)算的結(jié)果的收斂性和分析精度具有重大的影響 。 在實(shí)際仿真中 ， 運(yùn)行參數(shù)的主要選項(xiàng)如圖所示 ， 其中對(duì)于電力電子電流仿真影響最大的是模擬仿真參數(shù)設(shè)置 ， 可設(shè)置參數(shù)包括：電壓和電流的相對(duì)誤差 RELTOL電壓的絕對(duì)誤差 （ 也稱最佳精度 ， 下同 ） VNTOL， 缺省值為； 電流的絕對(duì)誤差 ABSTOL； 電荷的絕對(duì)誤差 CHGTOL； 任何支路的最小電導(dǎo) GMIN， ） ； 直流和偏置點(diǎn)迭代次數(shù)極限 ITL1； 直流和偏置點(diǎn)最佳估計(jì)次數(shù)ITL2； 暫態(tài)分析迭代極限 ITL4； 位于 Advanced Options選項(xiàng)窗口中的總迭代次數(shù) ITL5＝ 0（ 無(wú)窮 ） ；標(biāo)稱溫度 TNOM， 27Co。 其他選項(xiàng)包括是否對(duì)最小電導(dǎo)進(jìn)行步進(jìn)調(diào)節(jié) （ STEPGMIN） ， 該方法是在計(jì)算失敗后通過(guò)增大并聯(lián)電導(dǎo)的值 ，即減小并聯(lián)電阻的值 ， 來(lái)幫助改善計(jì)算的收斂性；以及是否通過(guò)預(yù)定制降低矩陣階數(shù) （ PREORDER） 等 。 PSPICE中由于 RELTOL（ 相對(duì)精度 ） 通常取為 ％ ， 所以仿真計(jì)算中可以應(yīng)用的動(dòng)態(tài)范圍為 12位 。 此時(shí)如按缺省值 ABSTOL取 1pA， 則當(dāng)電路的最大電流為數(shù) KA時(shí) ， 所需動(dòng)態(tài)范圍為 ， 即超過(guò)軟件的限制 ， 從而引起計(jì)算結(jié)果發(fā)散 。 所以， 在仿真大功率電路時(shí) ， 如電流的峰值在 KA等級(jí)時(shí) ， ABSTOL取為 1uA； 當(dāng)峰值在 MA等級(jí)時(shí)取 1mA。 作為一般的準(zhǔn)則 ， VNTOL和 ABSTOL取為比電路典型的電壓和電流值小 9個(gè)數(shù)量級(jí) 。 雖然 VNTOL＝ 1uV在實(shí)際中可以滿足絕大多數(shù)功率電路的要求 ， 但為了改善其計(jì)算的收斂性 ， 建議將該值取為 1mV。 此外，將相對(duì)精度（ RELTOL） 降低到 1％可以使動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到 13位；或?qū)簯B(tài)分析時(shí)的迭代次數(shù)由缺省的 10次提高到比如 50次，而將總迭代次數(shù) ITL5置為 0（無(wú)窮大）均可以幫助改進(jìn)仿真計(jì)算的收斂性。 仿真時(shí)間的范圍 利用 PSPICE進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程仿真的時(shí)間范圍同樣受到雙精度的限制而具有 15位的仿真精度 。 注意到缺省的相對(duì)誤差 RELTOL＝， 所以時(shí)間的動(dòng)態(tài)范圍同樣為 12位 ， 即最小的仿真步長(zhǎng)應(yīng)是總仿真時(shí)間除以 1012。 假定計(jì)算步長(zhǎng)變得過(guò)小 ， 暫態(tài)分析將會(huì)由于兩個(gè)原因而失敗 。 一是所采用的牛頓拉夫遜法在所允許的最小步長(zhǎng)仍不收斂；二是電路中某變量變化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最小步長(zhǎng)所能適應(yīng)的范圍 。 如果仿真中不收斂的理由是步長(zhǎng)過(guò)小 ， 則可以通過(guò)減小仿真持續(xù)時(shí)間來(lái)保證最小步長(zhǎng)與仿真時(shí)間之比不成功限制 。 電感模型 在 PSPICE中 L作為理想電感模型 （ 和變壓器的漏抗 ） 為線性電感 ， 即其電感量不隨頻率的變化而變化 。 但實(shí)際功率電路中所用的電感 ， 高頻時(shí)等效電感會(huì)發(fā)生變化 ， 導(dǎo)致電感量的減小 。 一方面純電感模型實(shí)際上是不真實(shí)的 ， 往往會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果 。另一方面 ， 上述模型在與之相連的開(kāi)關(guān)器件快速動(dòng)作時(shí) ， 會(huì)在電路中引起實(shí)際中可能并不存在的高速的電壓或電流的脈沖－毛刺， 從而導(dǎo)致仿真時(shí)間的加長(zhǎng) ， 甚至仿真結(jié)果的不收斂；以及與電路中的雜散電容產(chǎn)生實(shí)際上并不存在的高頻振蕩 。 所以仿真時(shí)應(yīng)將電路中所有的電感都并聯(lián)一個(gè)吸收電阻 ， 用于模擬電感的渦流損耗和限制帶寬 。 上述并聯(lián)電阻的阻值應(yīng)當(dāng)?shù)扔谵D(zhuǎn)折頻率時(shí)電感的電抗 。 比如 ， 一個(gè) 1mH的鐵心電抗其轉(zhuǎn)折頻率為100KHZ， 則并聯(lián)電阻的最佳取值為： 在轉(zhuǎn)折頻率以下 ， 電感的感抗很小 ， 所以并聯(lián)電阻對(duì)電路的影響很小 ， 該模型呈現(xiàn)感性；高頻時(shí)并聯(lián)電阻將吸收能量 ， 從而對(duì)電路可能出現(xiàn)的高頻振蕩進(jìn)行阻尼 。 在開(kāi)關(guān)電源等電路中作為輸出濾波器的電感通常體積較大 ， 由于繞組之間的耦合在相當(dāng)于在理想電感兩端并聯(lián)有一定的電容 。 上述電感通常在 500K到數(shù)十 MHZ間具有一個(gè)自振頻率 ， 體積越大對(duì)應(yīng)的諧振頻率越低 。 而在制作時(shí)為了降低有功損耗通常上述電感的 Q值很高 ， 所以諧振特性非常陡且頻率范圍很窄 。 所以上述電感可以用一個(gè)并聯(lián)有電容的理想電感來(lái)模擬， 在諧振頻率之上 ， 容性 ， 即并聯(lián)電容將起主導(dǎo)作用 。 而在該頻率以下 ， 電感將起主要作用 。 當(dāng)以鐵氧體環(huán)作為 EMI抑制時(shí)其特性則與其相反 ， 因?yàn)樵摥h(huán)的目的是對(duì)電磁干擾加以抑制 ， 即對(duì)輻射能量加以衰減 ， 所以 Q值很低 ， 諧振峰較為平坦且頻率范圍較寬 。 所以可以將其建模為一個(gè)具有 50－ 100歐的并聯(lián)電阻和 1－ 3pF并聯(lián)電容的電感 。 但由于磁心材料的性能隨頻率的變化呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性和非單調(diào)性所以精確建模十分困難 。 ????? 6 2 80 0 0 0 0 0 02 ?R（ 2） Saber： Saber軟件是由美國(guó) Analogy公司于 1986年開(kāi)
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