電力電子的常用仿真軟件

電力電子的常用仿真軟件第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日目前常用的電力電子模擬電路仿真軟件大體可以分為以下幾類，一類是利用包括有詳細器件模型的通用電路仿真軟件如SPICE，SABER進行電力電子電路仿真；另一類是在現(xiàn)有的專用仿真軟件如電力系統(tǒng)仿真軟件EMTP中加入以理想開關(guān)為模型的電力電子器件模型，從而將仿真領(lǐng)域擴展到包括電力電子裝置的系統(tǒng)分析中。還有一類是對電子電路某些方面，如熱學，電磁兼容等，的特性進行分析的軟件用于電力電子電路的設(shè)計以提高產(chǎn)品的可靠性。以下我們將對國內(nèi)電力電子領(lǐng)域中常用的幾種仿真軟件的歷史，其性能特點，和在電力電子電路的仿真中適用程度進行簡單的介紹。1.3．通用電路仿真軟件第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日為了便于對不同仿真軟件在對電力電子電路進行時域仿真時的特點進行比較，采用一個如下圖所示的零電流準諧振變流器進行研究。其中開關(guān)頻率為1MH，占空比為0.3，電路中續(xù)流二極管和功率MOS管分別用PSPICE的內(nèi)建的D1N4148和IRF150詳細模型描述。電路中Cr和Lr分別為諧振電容和電感，電流源則用來模擬輸出濾波電路和負載電阻。第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日ORCAD/PSPICE簡介

1.3.1歷史和基本特點OrCAD是美國OrCADSystems公司于上個世紀80年代推出的通用邏輯電路設(shè)計軟件包，它包括電路原理圖設(shè)計組件ORCAD/SDT（SchematicDesignTool），邏輯電路仿真組件ORCAD/VST（VerificationandSimulationTools），可編程邏輯電路設(shè)計組件ORCAD/PLD（ProgrammableLogicDevice），和印刷電路板版圖設(shè)計組件ORCAD/PCB（PrintedCircuitBoard）。設(shè)計人員可以首先借助SDT對電路原理圖進行設(shè)計，并經(jīng)過后處理生成相應的電路連接網(wǎng)表文件；該文件隨后作為VST的輸入，在用戶設(shè)置的輸入信號作用下，根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)拓撲關(guān)系和各單元的功能和延遲特性，進行仿真，通過分析電路中各節(jié)點的邏輯狀態(tài)變化來確定所設(shè)計的電路是否滿足預定的要求；在電路設(shè)計完成后，即可直接調(diào)用PCB組件根據(jù)設(shè)計好的電路原理圖進行印制版圖的設(shè)計，從而完成邏輯電路計算機輔助設(shè)計的全過程。

SPICE（SimulationProgramwithICEmphasis）是一種通用的電子電路仿真軟件包。1972年由美國加州大學伯克萊分校計算機輔助集成電路設(shè)計小組開發(fā)的，主要用于大規(guī)律集成電路的計算機輔助設(shè)計，是得到最為廣泛應用的一個電子電路設(shè)計軟件。它利用設(shè)計人員易于掌握和應用的硬件描述語言（VHDL）來對電路的結(jié)構(gòu)，參數(shù)以及希望分析的電路特性進行描述，其后根據(jù)用戶設(shè)置的條件的電路進行仿真，并根據(jù)計算結(jié)果驗證所設(shè)計電路的可行性。PSPICE則是由美國MicroSim公司于1984年在2G版本基礎(chǔ)上加以改進以適合PC機使用的SPICE版本，該軟件在PSPICE6.0及以后的版本由于采用了圖形界面，更進一步方便了用戶的使用。

第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日1998年OrCAD公司并購了MicroSim公司，經(jīng)過重新集成的OrCAD/PSPICE軟件的環(huán)境如圖1所示，主要包括作為前處理的OrCADCapture組件，用于電路原理圖設(shè)計，仿真參數(shù)設(shè)置以及產(chǎn)生電網(wǎng)絡連接表（Netlist）；仿真器OrCADPspice隨后根據(jù)上述網(wǎng)絡連接表對電路進行仿真。一旦設(shè)計的原理圖通過驗證，就可以進入后續(xù)的LayoutPlus程序進行印刷電路板版圖的設(shè)計，或進入Express進行可編程邏輯元件（PLD）的設(shè)計?，F(xiàn)在該公司又被Cadence公司并購，所推出的9.2版即是該公司命名并進行了重新組合。第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日ORCAD為設(shè)計者提供了一個由基于原理圖或VHDL文件的電路設(shè)計；FPGA和CPLD綜合設(shè)計；到數(shù)字,模擬,數(shù)?；旌戏抡?；直到印刷板設(shè)計的整體解決方法。上面所示為軟件包的主要模塊：CIS－－器件信息系統(tǒng)（COMPONENTINFORMATIONSYSTEM）PSPICEAD－－圖形編輯器MODELEDITOR－－模型編輯器OPTIMIZER－－優(yōu)化器STIMULUSEDITOR－－信號源編輯器第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日PSPICEA/D簡介PSPICE采用的是所謂非程序化語言，即它不包括任何賦值和IF…THEN…ELSE結(jié)構(gòu)的語句。因此不可以由用戶自定義函數(shù)，而需采用其中已有模型生成新器件。即不是開放型的軟件。它通過繪制原理圖，經(jīng)由圖形編輯器生成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)表（NETLIST）作為程序輸入。所生成的表中包括了器件，相互之間的連接和其參數(shù)。結(jié)構(gòu)上它采用了一系列擴展函數(shù)：時域：表達式中可以包括常數(shù)，參數(shù)，數(shù)學函數(shù)（如LOG，EXP，TRIG等）和節(jié)點電壓，電流；以及運行時間（TIME）VALUE{sin(twopi*fc*Time)}

表函數(shù)，即可以采用插值方法：TABLE{1＋V（4）}，（00）（0.10.2）頻域：

LAPLACE變換，其中可以包括常數(shù)，參數(shù)，數(shù)學函數(shù)等

LAPLACE{V(5)+V(6)}{1/(1+t1*S)}

表函數(shù)：FREQ{V(7)}(000)(5k0-5760)分析種類：交流，直流，參數(shù)掃描，優(yōu)化，蒙特卡洛等多種分析。第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日DRC：designrulescheck原理圖設(shè)計視窗(CAPTURE)項目管理視窗(PROJECTMANAGER):設(shè)計資源文件夾:設(shè)計文件夾(DSN):原理圖文件夾,原理圖頁面(點擊即可進入原理圖編輯器,而通過點擊器件則可進入器件編輯器)設(shè)計存儲文件夾:器件清單庫文件夾:設(shè)計中所用器件所屬庫輸出文件夾:設(shè)計規(guī)則檢查(DRC),網(wǎng)絡連接表生成(NETLIST)翻譯器:PSPICE資源文件夾:第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日下圖為升降壓斬波器電路第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日器件選擇第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日波形圖數(shù)據(jù)別名設(shè)計備份開放式數(shù)據(jù)庫互接第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日PSPICEAD（數(shù)據(jù)處理器）

對于PSPICE的文本文件，即以.cir為后綴的文件可以利用DESIGNMANAGER中的數(shù)據(jù)處理器進行仿真。5以前版本的.cir文件是一個完全的文件，即除需調(diào)用的庫外是完整的。而通過SCHEMATIC的圖形文件.sch生成的.cir文件則需包含NETLIST和ALIAS文件，如圖右所示，但結(jié)果是相同的。*C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch*SchematicsVersion8.0-July1997*WedSep2409:05:051997.PARAMLvar=5mh**Analysissetup**.tran100us50ms*From[SCHEMATICSNETLIST]sectionofmsim.ini:.lib"C:\MSim_8\projects\ls2.lib".libnom.lib*SchematicsNetlist*C_C10$N_0001100uFV_Vs$N_0002050VD_D1$N_0001$N_0003D1N4002M_M1$N_0002$N_0004$N_0003$N_0003IRF150L_L10$N_0003{Lvar}V_Vg$N_0004$N_0003DC0VAC0V+PULSE5V-5V0.7ms1us1us298us1msR_R10$N_0001R_R11k.modelR_R1RESR=1DEV=10%.probeI(L_L1).END*C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch*SchematicsVersion8.0-July1997*WedSep2410:58:521997.PARAMLvar=5mh**Analysissetup**.tran100us50ms*From[SCHEMATICSNETLIST]sectionofmsim.ini:.lib"C:\MSim_8\projects\ls2.lib".libnom.lib.INC"".INC"buk-boost.als".probe.END第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日****09/23/9721:19:30*****Win95PSpice8.0(July1997)*****ID#12345*****C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch****CIRCUITDESCRIPTION*******************************************************************************SchematicsVersion8.0-July1997輸出文件*TueSep2321:19:281997.PARAMLvar=5mh**Analysissetup**.tran100us50ms.STEPLINPARAMLvar1mh10mh2mh*From[SCHEMATICSNETLIST]sectionofmsim.ini:.lib"C:\MSim_8\projects\ls2.lib".libnom.lib.INC""****INCLUDING*****SchematicsNetlist*（網(wǎng)絡連接表）C_C10$N_0001100uFV_Vs$N_0002050VD_D1$N_0001$N_0003D1N4002M_M1$N_0002$N_0004$N_0003$N_0003IRF150L_L10$N_0003{Lvar}V_Vg$N_0004$N_0003DC0VAC0V+PULSE5V-5V0.7ms1us1us298us1msR_R10$N_0001R_R11k.modelR_R1RESR=1DEV=10%****RESUMINGbuk-boost.cir****.INC"buk-boost.als"****INCLUDINGbuk-boost.als*****SchematicsAliases*（別名描述體〕.ALIASESC_C1C1(1=02=$N_0001)V_VsVs(+=$N_0002-=0)D_D1D1(1=$N_00012=$N_0003)M_M1M1(d=$N_0002g=$N_0004s=$N_0003s=$N_0003)L_L1L1(1=02=$N_0003)V_VgVg(+=$N_0004-=$N_0003)R_R1R1(1=02=$N_0001).ENDALIASES****RESUMINGbuk-boost.cir****.probe.END文件分為兩大部分，一為程序部分，包括程序中問題；二為仿真環(huán)境，包括初始條件和運行中發(fā)生的問題。程序部分包括網(wǎng)絡連接表和別名描述體。第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日****09/23/9721:19:30*****Win95PSpice8.0(July1997)*****ID#12345*****C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch****DiodeMODELPARAMETERS**********************************************************************D1N4002IS14.110000E-09N1.984ISR100.000000E-12IKF94.81BV100.1IBV10RS.03389TT4.761000E-06CJO51.170000E-12VJ.3905M.2762****09/23/9721:19:30*****Win95PSpice8.0(July1997)*****ID#12345*****C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch****MOSFETMODELPARAMETERS***********************************************************************IRF150NMOSLEVEL3L2.000000E-06W.3VTO2.831KP20.530000E-06GAMMA0PHI.6RD1.031000E-03RS1.624000E-03RG13.89RDS444.400000E+03IS194.000000E-18JS0PB.8PBSW.8CBD3.229000E-09CJ0CJSW0TT288.000000E-09

CGSO9.027000E-09CGDO1.679000E-09TOX100.000000E-09XJ0DELTA0ETA0DIOMOD1VFB0U00TEMP0VDD0XPART0

****09/23/9721:19:30*****Win95PSpice8.0(July1997)*****ID#12345*****C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch****ResistorMODELPARAMETERS**********************************************************************R_R1R1****09/23/9721:19:30*****Win95PSpice8.0(July1997)*****ID#12345*****C:\MSim_8\projects\edu\buk-boost.sch****INITIALTRANSIENTSOLUTIONTEMPERATURE=27.000DEGC****CURRENTSTEPPARAMLVAR=5.0000E-03*********************************************************************NODEVOLTAGE($N_0001)30.70E-21($N_0002)50.0000($N_0003)0.0000($N_0004)5.0000

VOLTAGESOURCECURRENTSNAMECURRENTV_Vs-7.166E+00V_Vg0.000E+00TOTALPOWERDISSIPATION3.58E+02WATTSJOBCONCLUDEDTOTALJOBTIME47.32仿真環(huán)境包括主要器件參數(shù)初始值，和仿真結(jié)果：1。電路功耗2。運行機時第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日對于復雜的電路PSPICE中采用了可以分層設(shè)計的功能，這可以通過如圖所示的設(shè)計模塊的方法或增加頁面的方法實現(xiàn)。第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日

器件模型編輯器（PARTS）

作為PSPICE一個重要組成部分，PARTS為用戶提供了一個根據(jù)廠家提供的器件數(shù)據(jù)自行編制器件模型并用于仿真的可能。實際應用中包括兩種基本類型：一是建立全局的模型，存有用戶庫中便于今后仿真使用；另外就是建立局部的即時模型（INSTANT）用于特點的仿真程序中。全局模型：利用管理視窗中PARTS直接進行。實際步驟包括：建立用戶庫，引入模型（包括NEW，COPY和GET方式）。比如利用NEW即引入新器件，得到下述菜單，即性能，參數(shù)和曲線。當選擇某種性能時，相應的參數(shù)即出現(xiàn)星號，改變該參數(shù)即影響性能。該變化可由曲線直觀看出。比如MOS線性區(qū)跨導KF由1變10。第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日另一種全局模型可以在SCHEMATIC主菜單中以編輯庫的方式進入。即時（本地）模型：該模型為有SCHEMATIC中選定的某個器件模型的復件基礎(chǔ)上進行修改后生成的，它的編輯對庫不產(chǎn)生影響，因此其作用是局部的。編輯后它會自動在器件名稱后增加－Xn后綴。而在修改后可以自動生成一個以該項目命名的庫并將該模型存儲其中。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日CIS:componentinformationsystem(元件信息系統(tǒng))本地信息系統(tǒng)遠地信息系統(tǒng)器件名稱性能外形圖技術(shù)參數(shù)購買信息InternetcomponentassistantMRP:ManufacturingresourceplanningERP:EnterpriseresourceplanningPDM:ProductdatamanagementODBC:Opendatabaseconnectivity集總數(shù)據(jù)庫BillofMaterial第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日CIS環(huán)境:CIS包括兩個窗口,即本地器件數(shù)據(jù)窗和器件探測器窗。器件數(shù)據(jù)窗（PARTMANAGER）：該窗可由CAPTURE窗口中的TOOLS－PARTMANGER－－OPEN打開，其中內(nèi)容包括序號，器件位于程序頁號，名稱，器件的值，器件的數(shù)量，數(shù)據(jù)庫的關(guān)系，器件庫（SLB）的位置，器件封裝庫（PLB）的位置。探測器窗（EXPLORER）：該窗可由CAPTURE的PLACE－－PLACEDATABASEPART中得到。它包括兩個視窗，即本地和INTERNET輔助窗（ICA）。可以通過點擊位于底部的選擇條進行選擇。第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日從中可以得到所關(guān)心的器件的類型探測窗，器件接線圖，器件封裝外形圖，器件性質(zhì)和器件表。其中器件數(shù)據(jù)服務器CDS（COMPONENTDATASERVER）表中則包含分類，零件號，類型，值，性能描述，封裝形式，廠家，供應商，價格，狀況，網(wǎng)址。所以一旦用戶采用新的器件，除可從本地數(shù)據(jù)庫中選擇外，還可以從網(wǎng)上直接下載器件模型，進行仿真研究。第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日（3）印刷板（PCBoard）設(shè)計印刷板設(shè)計是電力電子電路設(shè)計中一個重要方面，PSPICE中將該功能與原理圖設(shè)計相連接，用戶可以直接由SCHEMATIC中得到的電路轉(zhuǎn)向印刷板設(shè)計圖。下圖為一個數(shù)字電路，在原理圖設(shè)計結(jié)束后選擇TOOLS中RUNPCBOARDS則可得到下頁所示印刷電路圖。在PSPICE中每個器件的編輯窗中應包括兩項，即：模板（TEMPLATE）和封裝（PKGREF）。沒有或模板一項為空白表明該器件可以用于印刷電路設(shè)計但不能用于仿真。而沒有或封裝項僅為器件名稱則該器件不能出現(xiàn)于印刷電路設(shè)計中。第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日該電路為機器生成初步電路，實際中還需加以修改，得到實際可以應用的電路。該電路可以存為以.pca為后綴的文件。此外可以通過選擇TOOLS中RUNSCHEMATIC一項生成其電路原理圖。為了驗證印刷電路設(shè)計的正確性PSPICE中具有三個功能函數(shù)：即，設(shè)計規(guī)則檢查（DRC），設(shè)計變化調(diào)整（ECO）和電氣連接圖比較。同時在電路圖設(shè)計視窗還包括外形圖檢查（FOOTPRINT）。第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日性能分析:在完成電路圖進行仿真之前需確定分析目的，此時選擇ANALYSIS，生成子菜單顯示可以仿真的類型，包括交流掃描，即通過掃頻研究頻響特性；直流掃描，即對電壓，模型參數(shù)在指定范圍掃描；直流工作點分析；傳遞函數(shù)分析，即直流工作點附加線性化小信號傳遞函數(shù)；靈敏度分析，尋找對電路直流偏置影響最大的元件，減小其對電路影響；蒙特卡若用于對電路參數(shù)進行統(tǒng)計分析；參數(shù)掃描用于對模型參數(shù)對系統(tǒng)響應的影響進行分析；溫度分析用于分析溫度影響的模型參數(shù)對系統(tǒng)的影響；暫態(tài)分析對系統(tǒng)的動態(tài)過程利用數(shù)值積分將狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為非線性代數(shù)方程再用牛頓－拉夫遜法求解。第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日變量相互關(guān)系分析

仿真運行結(jié)束自動生成以時間為X軸缺省變量的時域波形。如希望研究變量相互之間的關(guān)系可以在PROBE窗口中選擇PLOT（即分析類型設(shè)置）改變X軸設(shè)置（Axisvariable），比如可選擇電感中電流作為X軸變量，而生成研究其與電容上電壓的關(guān)系的曲線即相平面圖。圖形中系統(tǒng)的電壓最后收斂于0，所以實際上作為串聯(lián)諧振變流器的該系統(tǒng)不能正常工作。第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日參數(shù)掃描:下圖為升降壓斬波器,對電感參數(shù)進行選擇.1.確定掃描參數(shù){VAR};2.引入PARAM,即參數(shù)設(shè)置器件,給定缺省值;3.設(shè)置參數(shù)掃描范圍，方式；4.掃描,并顯示結(jié)果;5.深入分析,如最大值等;第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日變量相互關(guān)系分析

仿真運行結(jié)束自動生成以時間為X軸缺省變量的時域波形。如希望研究變量相互之間的關(guān)系可以在PROBE窗口中選擇PLOT（即分析類型設(shè)置）改變X軸設(shè)置（Axisvariable），比如可選擇電感中電流作為X軸變量，而生成研究其與電容上電壓的關(guān)系的曲線即相平面圖。第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日X軸的設(shè)定缺省為時間，作特殊分析時，可以由選項plot進入，按仿真需要設(shè)置軸。第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日在進行掃描時可以先選取一組定義橫軸，然后其它各族均采用相同的坐標系從而在同一平面上畫出不同參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應當影響。第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日性能分析

對于掃描結(jié)果，可以進行性能分析。其步驟如下：1.在PROBE窗口中，選擇TRACE即分析種類；2.選擇Perfoemance3.Wizard（功能）4.目標函數(shù)（GOALFUNCTION）5.Searchtrace（對象）6.顯示曲線。給出器件在回路電感不同時所承受的峰值電壓的大小，如與其他分析結(jié)合可優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。Wizard第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日蒙特卡洛和最壞條件分析二者的目的均是利用統(tǒng)計方法分析器件誤差對電路特性的影響程度，worst(WC)分析是對電路進行靈敏度和最壞條件分析，即找出使輸出信號偏差最大的元件值；而montecarlo(MC)分析則是在誤差范圍中以隨機取樣的方式就元件誤差對電路特性的影響進行統(tǒng)計分析,以優(yōu)化參數(shù)。其中第一次運行用標稱值仿真，其后根據(jù)各個器件參數(shù)的容差規(guī)定隨機選取在限度內(nèi)偏離標稱值的不同值進行運算；并將各次結(jié)果與標稱結(jié)果進行比較，得到元器件容差引起的輸出結(jié)果偏離的統(tǒng)計分析。蒙特卡洛分析：在元件誤差范圍中隨機變化元件的參數(shù)，然后將系統(tǒng)的響應記錄下來，進行分析，次數(shù)可由用戶定義，但第一次是采用標稱值進行仿真。由于元件的誤差通常呈現(xiàn)高斯分布，所以如隨機數(shù)采用高斯曲線分布可以得到更好的效果。1.分析類型：分為LOT（相同模型器件參數(shù)全部同時變化，適于集成電路）和DEV（器件參數(shù)分別變化）兩種。2.對照函數(shù)（FUNCTION）：Ymax:此后運行中和標稱結(jié)果最大差；Max(Min)：波形最大（?。┲?；Fall(Rise):第一次?。ù螅┯陂撝?；RangeHi(Lo):評價函數(shù)上（下）限；3.MC分析：List：每次運行種模型和參數(shù)All：所有輸出First：第一輪運行中第n次數(shù)據(jù)Every：每輪運行中第n次數(shù)據(jù)Runs：僅列指定運行次數(shù)數(shù)據(jù)選擇掃描次數(shù)；隨機數(shù)的形式，即UNIFORM（均勻分布）和GAUSSIAN（高斯分布）；設(shè)置存儲結(jié)果的形式。其后點擊MoreSelection選擇分析結(jié)果的形式.

采用升降壓斬波器進行分析。第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日對于非庫存的無源和半導體器件Orcad提供了一組所謂Breakout（開放式）器件，用戶可以根據(jù)仿真的需要對其參數(shù)進行編輯，從而可以在進行統(tǒng)計分析時設(shè)置偏差?；镜拈_放模型名稱是由內(nèi)建模型名稱加后綴BREAK構(gòu)成，在用戶不另加說明的條件下其參數(shù)為內(nèi)建模型的缺省值。第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日分析功能（FUNCTION）：Ymax:運行結(jié)果和標稱結(jié)果最大差值；

Max(Min)：每個波形最大（?。┲担籉all(Rise)_EDGE:第一次下降（上升）經(jīng)過閾值；Direction:Hi（Low）向上（下）偏移；打勾選擇列出所有參數(shù)。第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日

MONTECARLONOMINAL**********************************************************************************CURRENTMODELPARAMETERSFORDEVICESREFERENCINGCbreakC_C1C1.0000E+00

MONTECARLOPASS2**********************************************************************************CURRENTMODELPARAMETERSFORDEVICESREFERENCINGCbreakC_C1C1.0269E+00MONTECARLOPASS3**********************************************************************************CURRENTMODELPARAMETERSFORDEVICESREFERENCINGCbreakC_C1C1.1402E+00第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日

MONTECARLOPASS4**********************************************************************************CURRENTMODELPARAMETERSFORDEVICESREFERENCINGCbreakC_C1C9.5620E-01ERROR--ConvergenceproblemintransientanalysisatTime=14.00E-06MONTECARLOPASS5**********************************************************************************CURRENTMODELPARAMETERSFORDEVICESREFERENCINGCbreakC_C1C9.0409E-01MONTECARLOSUMMARY******************************************************************************MeanDeviation=-3.3305Sigma=2.1006RUNMAXDEVIATIONFROMNOMINALPass35.4311(2.59sigma)loweratT=3.0713E-03(89.475%ofNominal)Pass21.23(.59sigma)loweratT=3.0479E-03(97.616%ofNominal)第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日WC（最壞情況分析）首先它利用靈敏度而不是隨機數(shù)對于系統(tǒng)參數(shù)進行分析，以搜索可能的最壞情況。利用其中MoreSelection設(shè)置其它值。Save表明選擇記錄每次結(jié)果。第四十頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日PROBE打開后出現(xiàn)上述選項窗口，詢問需觀測那個分析結(jié)果，其中，包括額定工況(MINAL），最差情況分析(LDEVICES)；和靈敏度分析結(jié)果。由于新版ORCAD中WORST采用靈敏度分析的方法，即對每個器件每個誤差大小對響應的影響分別進行一次分析；然后將上述數(shù)據(jù)綜合確定最差條件并據(jù)此進行分析，所以每次靈敏度分析結(jié)果也可顯示。分析后根據(jù)輸出偏移量大小，判斷是否超出規(guī)范要求。如超出需考慮縮小誤差范圍。下頁顯示利用性能分析確定開關(guān)器件上壓降受參數(shù)變化形成的最大影響。第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

SENSITIVITYSUMMARY******************************************************************************MeanDeviation=-.1121％平均偏差0.112Sigma=0%標準差0，

RUNMAXDEVIATIONFROMNOMINALCbreakCDEVICES.1121loweratT=2.0306E-03(3.1489%changeper1%changeinModelParameter)……….WORSTCASEALLDEVICES******************************************************************************DEVICEMODELPARAMETERNEWVALUEC_C1CbreakC.855(Decreased)R_R1RbreakR1(Unchanged)

WORSTCASESUMMARY******************************************************************************RUNMAXDEVIATIONFROMNOMINALALLDEVICES6.8437higheratT=2.9990E-03(112.71%ofNominal)%變化量12.7%第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日優(yōu)化：優(yōu)化作為電路設(shè)計一個有力的工具在ORCAD中對其應用進行了簡化。設(shè)計中首先在原理圖中確定計劃優(yōu)化的器件，并通過PART中OPTPARAM加以確定，然后CAPTURE進行仿真。仿真后選擇PSPICE中OPTIMIZER轉(zhuǎn)到優(yōu)化視窗。第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日在優(yōu)化視窗中包括性能（SPECIFICATION）和參數(shù)（PARAMETERS）兩個窗口，前者確定優(yōu)化目標，后者確定掃描范圍。窗口中白底的為優(yōu)化后的值，另一為起始值。其他運行參數(shù)，如均方根誤差，迭代次數(shù)，仿真次數(shù)示于左側(cè)。第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日新軟件的主要優(yōu)點包括：－具有模擬/數(shù)字混合仿真功能，因此可以同時處理模擬和數(shù)字混合的電路，這是傳統(tǒng)的單個仿真器所不能做到的。該軟件可以用來進行包括包含F(xiàn)PGA在內(nèi)的數(shù)字器件和模擬元件在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計。此時，可以先做全部設(shè)計的函數(shù)仿真，然后選擇合適的芯片，并在完成電路布線后，仿真并優(yōu)化所設(shè)計的整個系統(tǒng)的能力；其后如果需要的話，進行相應的印刷電路板的設(shè)計。－數(shù)?；旌戏抡娉绦颍含F(xiàn)在提供的仿真模型庫包括大量的模擬器件，數(shù)字器件，及傳輸線、磁芯等模型，充分利用這些仿真模型可以有效地改進設(shè)計和降低成本，幫助設(shè)計人員可以用更少的時間設(shè)計出更好的電路。－該軟件的模擬行為仿真模型使用戶可以用類似于傳遞函數(shù)框圖的方法來對復雜的器件或電路進行時域或頻域分析；而其電路基本分析：如直流、交流和瞬態(tài)分析，以及蒙特卡洛，最壞情況/靈敏度分析等功能，使用戶可以從不同的角度分析和研究自己的設(shè)計，令設(shè)計更有創(chuàng)造性。－該軟件允許用戶通過使用參數(shù)，拉普拉斯函數(shù)與狀態(tài)方程等建立用戶自己的模型。但是，由于該軟件是為大規(guī)模集成電路設(shè)計而開發(fā)的，其中器件模型主要針對信息電子領(lǐng)域的小功率器件而設(shè)計，當將其應用推廣到電力電子領(lǐng)域時需對模型進行相應的修正。

第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日1.3.2OrCAD/Pspice在電力電子電路仿真中的局限

當將OrCAD/Pspice用于電力電子電路仿真時，所面臨的主要困難可以簡要歸納如下：（一）器件模型：SPICE中器件的建模采用了宏模型法，也稱等效電路模擬法，是一種基于經(jīng)驗的方法，它并不關(guān)心器件內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)和物理過程，而根據(jù)器件的已知的輸出入特性利用由審慎選擇的理想元器件，如電阻、電容、受控源等構(gòu)成的等效電路來模擬器件的特性。這種方法比較容易掌握，但其應用范圍往往受到器件的非線性性能的限制。再加上SPICE類型的仿真軟件原是為大規(guī)模集成電路的設(shè)計開發(fā)的，其中程序設(shè)計的重點在于如何對包括大量高速，低壓，小功率半導體器件的電路進行精確地計算,其中缺省參數(shù)的設(shè)置均是根據(jù)小功率器件選擇的，而由于高壓大功率電力電子器件從結(jié)構(gòu)和性能上所存在的大注入現(xiàn)象，電荷存儲效應，基區(qū)寬度調(diào)制，低摻雜區(qū)所造成的器件結(jié)構(gòu)上的不均勻，從而破壞了上述模型成立的條件，所以簡單地采用軟件中原有的小功率器件模型，特別是沿用原缺省參數(shù)，去模擬電力電子器件可能會引入較大的誤差，甚至得到完全錯誤的結(jié)論。(二）利用Pspice中的理想開關(guān)對系統(tǒng)進行仿真時，由于構(gòu)成電力電子電路的開關(guān)器件的非線性的性質(zhì)，使得電力電子電路依據(jù)開關(guān)的狀態(tài)不同而改變其拓撲，也即為一個變結(jié)構(gòu)的非線性的時變電路。對于一個非線性時變系統(tǒng)，數(shù)學上不存在一般的解法，所以造成仿真的困難。第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日(三)計算穩(wěn)定性：由于電力電子系統(tǒng)中負荷的時間常數(shù)和開關(guān)周期往往相差若干個數(shù)量級，所以描述該系統(tǒng)的方程從本質(zhì)上是病態(tài)的。而由于Pspice在計算中采用的是梯形法，較之高階方法它具有計算速度快和穩(wěn)定的優(yōu)點，但在計算開關(guān)動作時刻的感性節(jié)點的電壓和容性支路的電流發(fā)生突變時容易發(fā)生數(shù)值振蕩，所以算法的收斂性是其仿真中的一個大問題。由于變步長方法是當二步計算誤差超過一個指定值時即將步長減小來處理，而電力電子電路中周期性的開關(guān)的動作引起的突變是系統(tǒng)固有的性質(zhì)，因此往往造成了仿真軟件在開關(guān)點附近為尋找適當?shù)牟介L而進行大量的計算，從而浪費大量的機時。（四）負載模型：電力電子電路的負載與信息電子電路不同，可能是如電阻，電容，電感等固定負荷，也可能是包括電機在內(nèi)的各種運動負荷。此時負荷的模型可能包括機械，熱力，流體等多種物理過程，因此一是負荷模型非常復雜，利用PSPICE已有模塊去建模也比較困難。二是由于時間常數(shù)可能相差很遠，形成病態(tài)方程計算不易收斂。因此對于包括非電學負荷類系統(tǒng)的仿真還是利用相應的仿真器，比如直流輸電系統(tǒng)利用EMTDC/PSCAD仿真，較為合理。為了解決上述問題，除了MicroSim公司對于其器件模型進行了一系列改進外，大量用戶也推出了一系列措施來克服上述局限，以將其應用領(lǐng)域擴展到電力電子電路的計算機輔助設(shè)計第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日1.3.3OrCAD在仿真中的收斂性

在進行DC掃描和暫態(tài)分析時，PSPICE需利用牛頓拉夫遜法從一組初始近似值開始，通過若干次迭代逼近非線性方程組的解。盡管實際的物理系統(tǒng)均是存在解的，但在利用數(shù)值方法進行暫態(tài)過程求解時，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)散問題的途徑一是確定一個合理的初值，但在實踐中并沒有一個一般的方法去尋找初值。其次是具有盡可能寬的動態(tài)范圍，但由于計算機硬件的原因，目前版本的PSPICE算法的精度和動態(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導數(shù)的大小限制在1E14以下；第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日運行參數(shù)設(shè)定第五十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

Pspice的運行參數(shù)作為可設(shè)定的選項對于仿真計算的結(jié)果的收斂性和分析精度具有重大的影響。在實際仿真中，運行參數(shù)的主要選項如圖所示，其中對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：電壓和電流的相對誤差RELTOL電壓的絕對誤差（也稱最佳精度，下同）VNTOL，缺省值為1.0uV；電流的絕對誤差ABSTOL；電荷的絕對誤差CHGTOL；任何支路的最小電導GMIN，）；直流和偏置點迭代次數(shù)極限ITL1；直流和偏置點最佳估計次數(shù)ITL2；暫態(tài)分析迭代極限ITL4；位于AdvancedOptions選項