saber仿真緒論2014

1、1課程教學課程教學2h功率變換器功率變換器的計算機仿真與的計算機仿真與設計設計張方華張方華2022-5-62課程基本情況課程基本情況 學時：36（理論28h+實驗8h）； 學分：2.5； 教學目標：掌握Saber軟件的基本使用使用方法 教學內(nèi)容： 功率變換器的基本物理概念和設計方法 Saber軟件的仿真操作 參考資料： Saber 使用手冊（Saber Example） 電力電子電路的計算機仿真（e-book），陳建業(yè)，清華版3第一章第一章 緒緒 論（論（1h）（1）EDA與電路仿真的概念；與電路仿真的概念；（2）計算機仿真過程：建模和實驗；）計算機仿真過程：建模和實驗；（3）電力電子裝置設計

2、流程；）電力電子裝置設計流程； （4）常用仿真工具；）常用仿真工具；4EDA的概念的概念 Electronic Design Automatic，電子設計自動化。是在電子CAD基礎上發(fā)展起來的通用軟件系統(tǒng),輔助進行電子產(chǎn)品的自動設計。 EDA設計分為器件級、電路級和系統(tǒng)級，主要解決IC設計、電路和系統(tǒng)的PCB繪制及電路、熱、磁等仿真分析等方面的問題。5仿真的概念仿真的概念 仿真概念： 利用模型再現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質本質過程，并利用模型對已存在的或計劃中的系統(tǒng)進行研究。 分類： 半物理仿真 數(shù)學（軟件）仿真；數(shù)學（軟件）仿真； 應用領域： 虛擬現(xiàn)實領域 計算機輔助設計計算機輔助設計與制造領域6

3、軟件仿真的概念軟件仿真的概念 軟件仿真軟件仿真概念： 在計算機上進行試驗的數(shù)字化技術； 根據(jù)被研究的真實的數(shù)學模型，利用計算機建立仿真模型，然后依仿真模型在計算機上計算、分析、研究，獲得真實系統(tǒng)的定量關系。通過仿真，加深對真實系統(tǒng)的理解，為系統(tǒng)設計、調試或管理提供所需信息。 系統(tǒng)、模型和計算機為其三個基本要素。7仿仿真真過程：建模過程：建模 建模的概念： 寫出描述物理系統(tǒng)基本規(guī)律的數(shù)學方程的過程； 對系統(tǒng)某方面某方面的本質屬性的抽象描述。 系統(tǒng)仿真基礎：系統(tǒng)仿真基礎： 相似性原理：系統(tǒng)可以利用模型在某種意義上相似性原理：系統(tǒng)可以利用模型在某種意義上對其加以近似。（機對其加以近似。（機-電系統(tǒng)）

4、電系統(tǒng)） 任何一個線性動態(tài)系統(tǒng)，均可以用微分方程組任何一個線性動態(tài)系統(tǒng)，均可以用微分方程組（狀態(tài)方程）加以描述。（狀態(tài)方程）加以描述。8相似性原理相似性原理9第一章第一章 緒緒 論論（1）EDA與電路仿真的概念；（2）計算機仿真過程：建模和實驗）計算機仿真過程：建模和實驗；（3）電力電子裝置設計流程； （4）常用仿真工具；10計算機仿真過程：計算機仿真過程：1建模建模 仿真模型分類 形象模型，如樓宇的沙盤模型 模擬（類比）模型，如物理類比：二階系統(tǒng)的力-電模型 符號模型 系統(tǒng)分解：抽取與研究目標相關的本質（簡化）系統(tǒng)分解：抽取與研究目標相關的本質（簡化） 數(shù)學建模：系統(tǒng)本質屬性的數(shù)學描述（方程

5、組）數(shù)學建模：系統(tǒng)本質屬性的數(shù)學描述（方程組） 模型轉換：數(shù)學描述模型轉換：數(shù)學描述計算機程序計算機程序 參數(shù)估計：完成某些參數(shù)設計和定義 可信度檢驗：對比驗證11計算機仿真過程：計算機仿真過程：2實驗實驗 實驗 利用模型在給定條件下對系統(tǒng)方程進行求解。 模擬仿真，如積分器 數(shù)值仿真數(shù)值仿真 時域分析的一般時域分析的一般流程流程12計算機仿真過程：實驗計算機仿真過程：實驗（1）原理圖輸入方式 電路網(wǎng)表文件輸入電路網(wǎng)表文件輸入； GUI技術的發(fā)展使得可用電路原理圖直接輸入，由計算機程序生成電路網(wǎng)表文件。 電路原理圖輸入電路原理圖輸入。13電路輸入方式電路輸入方式 電路網(wǎng)表輸入方式 標號 起始節(jié)點

6、 末節(jié)點 （模型名稱） 量值 L1 2 3 30u R1 3 0 2.4 C1 3 0 4.7m D1 2 0 pwld V_dc 1 0 V_dc 48 S1 1 2 sw1_l4123014電路輸入方式電路輸入方式 電路原理圖輸入 電路網(wǎng)表輸入15計算機仿真過程：實驗計算機仿真過程：實驗（2）數(shù)學建模（網(wǎng)絡分析網(wǎng)絡分析的概念） 拓撲法（支路電流法、網(wǎng)孔電流法、回路電流法） 狀態(tài)方程法 改進節(jié)點法改進節(jié)點法16電路方程的建立與求解電路方程的建立與求解 網(wǎng)絡分析的基本概念 三條基本定律：KCL、KVL、元件特性； 電路方程的建立：拓撲法（支路電流法、網(wǎng)孔方程法、回路電流法）、（改進的）（改進的

7、）節(jié)點電壓節(jié)點電壓法法、狀態(tài)變量法。 通常在電路中獨立節(jié)點數(shù)比支路數(shù)少23倍，因此按照節(jié)點法建立的方程組維數(shù)低，運算方便； 列寫方程的方式也比較簡單，易于編程，在EDA軟件中獲得廣泛應用。17節(jié)點電壓法節(jié)點電壓法 以節(jié)點電壓為變量，所有支路電流均可表示為節(jié)點電壓的函數(shù)，根據(jù)KCL，即可列寫方程組。 K為獨立節(jié)點； Uk為節(jié)點電壓向量； Yk為節(jié)點導納矩陣； Isk為節(jié)點電流向量。skkkIUY18節(jié)點電壓法節(jié)點電壓法3203132131655655424646411IsIsIsIsUUUsLsCsCsCsCsCsCGGGsCGsCGRskkkIUY19節(jié)點電壓法的局限節(jié)點電壓法的局限 如將上圖

8、中的Is1改為電壓源Vs1，如何寫節(jié)點電壓方程？ 節(jié)點電壓法的局限 當含有獨立電壓源、零值阻抗元件等支路導納為無窮大的支路時，無法用節(jié)點電壓法直接處理。 VCVS、CCVS等受控源支路也無法直接處理； 支路電流變量不能直接作為節(jié)點電壓方程組的未知變量。20改進的節(jié)點電壓法改進的節(jié)點電壓法 改進的節(jié)點電壓法增加零阻抗支路的支路電流作為附加變量。 注入電流向量： 考慮附加注入電流的節(jié)點電壓方程： 附加方程： 改進的節(jié)點電壓方程：wwkIAInskkkIIUYwskTwUUAwskwkTwwkVJIUAAY021改進的節(jié)點電壓法改進的節(jié)點電壓法3*10000714321001000000001104

9、040000533000434322010022UaUsIIUUUUsCsCsCGGsCGsCGGGGGwskwkTwwkVJIUAAY022計算機仿真過程：實驗計算機仿真過程：實驗（3）系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散和線性化(數(shù)值積分：線性化) 電路的非線性電路的非線性 歐拉法（折線法） 龍格庫塔法 在初值附近展開泰勒級數(shù)23計算機仿真過程：實驗計算機仿真過程：實驗（4）線性方程組求解 高斯消元法 通過一系列加減消元運算，將線性代數(shù)方程化為上三角矩陣，再逐一回代求解出節(jié)點電壓向量。 LU分解法24計算機仿真流程計算機仿真流程 人機交互界面 是計算機、軟件、用戶之間的橋梁。 菜單形式的命令集； 交互式圖形

10、輸入； 多窗口、多進程作業(yè)方式；25計算機仿真流程計算機仿真流程 繪圖處理 將電路仿真結果繪制成標準、直觀的波形或曲線。26電路仿真的特點電路仿真的特點 必要性： 電路規(guī)模的擴大； 物理實現(xiàn)的復雜性、經(jīng)濟性及周期等； 可行性： 仿真基礎、計算機軟硬件和計算技術的發(fā)展； 圖形用戶界面的發(fā)展、元器件模型的建立、電路方程的建立與求解、繪圖處理 局限性： 目前可用的電力電子電路仿真軟件均是在通用電路仿真軟件的基礎上擴展起來的，所建立電力電子器件模型和應用領域均受到一定的限制。27第一章第一章 緒緒 論論（1）EDA與電路仿真的概念；（2）計算機仿真過程：建模和實驗；（3）電力電子裝置設計流程）電力電子

11、裝置設計流程； （4）常用仿真工具；28電源設計電源設計&完成所用工具：自上而下（完成所用工具：自上而下（top to down)SABER/PSPICE/MATLAB/SIMETRIX。驗證原理，輔助分析。驗證原理，輔助分析PROTEL/CADENCE/ORCAD器件手冊，構建詳細設計器件手冊，構建詳細設計平日技術積累平日技術積累查閱技術資料查閱技術資料PROTEL/CADENCE實驗調試經(jīng)驗積累實驗調試經(jīng)驗積累29第一章第一章 緒緒 論論（1）EDA與電路仿真的概念；（2）計算機仿真過程：建模和實驗；（3）電力電子裝置設計流程； （4）常用）常用EDA工具工具；30常用常用EDA軟件軟件

12、電子電路設計與仿真軟件： Spice/PSpice（OrCAD10.5）、 Synopsys（Saber 2007）、 EWB（Multisim8.0）、Simetrix/Simplis、Matlab Simulink SCH、PCB設計軟件： Protel（Protel DXP ，Protel 99SE）、Cadence 、 Mentor Graphics31常用常用EDA軟件軟件 IC設計軟件： IC設計包括設計輸入，仿真，綜合，布局布線，物理驗證等 Cadence 、 Mentor Graphics、Synopsys PLD（Programmable Logic Device）設計軟件

13、PLD主要有CPLD和FPGA兩大類 軟件有Altera公司的MAX+PLUS和Xilinx公司的ISE。32常用常用EDA軟件軟件 其他CAD軟件 熱設計軟件Flotherm、BETAsoft（動態(tài)軟件分析公司的溫度分析軟件） 電磁兼容仿真軟件PADS公司的HYPERLYNX 磁設計軟件Ansoft公司的HFSS、Maxwell 3D等33其他事項其他事項 計算機統(tǒng)計及上課模式 平時作業(yè)、考試及課堂紀律 上機考試 大作業(yè)1份，嚴禁抄襲 考勤， 3次次無考試資格34歷年考試情況歷年考試情況年度年度考試人數(shù)考試人數(shù)不及格數(shù)不及格數(shù)不及格率不及格率2007200729296 620.7%20.7%2008200817175 529.4%29.4%201020105353