基于Plecs的电力电子电路热-电仿真教学研究

唐圣学, 李占凯, 陈　丽

(河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室, 天津　300130)



基于Plecs的电力电子电路热-电仿真教学研究

唐圣学, 李占凯, 陈丽

(河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室, 天津300130)

提出基于Plecs平台的主电路热-电联合建模仿真的辅助教学新方法,该方法采用热路理论和Plecs热量收集器概念搭建主电路热-电仿真模型,其中热路模型采用RC热网络模型,控制模型采用Simulink模型。以降压斩波电路为例,说明基于Plecs平台的仿真教学具有建模简单、灵活、直观的优点。所建模型能同时获取主电路热-电仿真结果,热-电仿真能快速加深学生热知识理解。

电力电子电路； 热-电仿真模型； 教学研究；Plecs

1　关于电力电子电路的热仿真

电力电子技术是一门多学科交叉的专业课程,内容涉及电力技术、电子技术、控制技术、热设计技术等。在电力电子技术课程教学中,通常对主电路热知识只做简单介绍,不做深入讲授。然而,在一些本科的创新和综合性实验和毕业课程设计中,以及研究生课程——高等电力电子技术课程中[1-3],热知识,尤其是热设计,是必须掌握、不开回避的知识点,且与工程实践密切联系[1]。快速、通俗地帮助学生掌握热设计知识和技术具有重要意义。

目前,在主电路和控制环节的仿真理论教学和虚拟实验教学方面,已能直观、通俗地完成仿真实验。很多高校在电力电子技术课程教学中引入系统级电力电子仿真软件,例如Plecs、Saber、Multisim、Pspice、Matlab/Simulink、Psim等,都取得了较好的效果[4-9]。然而,目前仿真教学研究的内容主要针对的是电力电子技术教学中的主电路和控制环节的建模仿真问题,而涉及电力电子电路的热仿真问题、热-电联合仿真问题的教学研究成果较少,且建模复杂、难以理解。例如:文献[10]采用宏模型技术建立了一种新型的晶闸管PSpice电热模型,包含热模型和电模型,但是需要专业Spice理论建模技术,只适应于器件级仿真,不适合电路级、控制级的热点联合仿真及教学。

考虑到目前许多设备无法有效开展热-电实验,以及传统电力电子技术教学中偏重主电路、控制技术而对热-电教学重视不足,笔者提出将Plecs平台应用于电力电子电路的热-电知识教学中。在教学中,采用Plecs平台的热收集器HeatSink概念和热路理论搭建主电路热-电联合仿真模型,使主电路的热-电现象形象化、直观化；深度结合Matlab/Simulink平台,使调制控制以及波形处理能力得到提升。仿真模型设计灵活、操作简单,有利于学生搭建复杂电路模型,实现创新思维的发挥；“热、电、控”三位一体的联合仿真教学也有助于增强学生对原理性知识的理解。

2　基于Plecs平台的电力电子电路热-电仿真

2.1可用于热-电仿真的软件比较分析

用于电力电子技术电路仿真的软件可分为两类。

一类是电路级的专业软件,如Orcad/Pspice、Micro-Cap、Protell、Multisim、EMTP、Saber等通用的大众化软件[11],以及TI公司的TINA-spice软件等由公司自己开发、针对自己产品的个性化软件。这类软件仿真精度高，但仿真速度慢,应用范围侧重于电子电路。将它们用于电力电子电路的仿真控制技术时难以实现,且灵活性差。

另一类是Psim、Matlab/Simulink等系统级仿真软件[12]。这类软件主要用于电路和控制系统的行为仿真,特点是灵活、速度较快,但精度低。

这两类软件在工程实践中均得到了广泛应用,也被广泛应用于电力电子电路仿真教学中,但是应用于热-电联合仿真时存在概念不明确、建模复杂等问题。此外,采用有限元技术的三维热-电联合仿真软件,如ANSYS,建模比较复杂且只能进行器件级仿真。

Plecs是一个可应用于多领域的系统级仿真软件,其嵌入版实现了与Matlab/Simulink完全无缝嵌入,具有系统设计灵活、仿真速度快、稳定性好[4]、非常适合热-电联合仿真的特点。在热-电联合仿真中,Plecs引入了独特的热收集器HeatSink概念,以及采用类似于电路的热路理论的建模方法,使电力电子技术的热-电原理与概念形象化,使原理性内容更直观地展示出来,使热-电联合建模更容易理解。

2.2Plecs平台的热路仿真原理

电力电子主电路的热路模型常采用RC热网络模型,分为Cauer网络和Foster网络,如图1所示。在图1所示RC热网络模型中,P为热源,类似于电路中的电流源；温度T类似于电位,温差△T类似于电压。同理,热阻Rth类似于电阻,热容Cth类似于电容。Tj为功率器件结温,Ta为环境温度(类似于电路中的地电位)。Plecs引入热收集器HeatSink,用于收集器件损耗功率,在RC热网络模型中类似于电路中的电流源,即热源P,大小为热收集器所涵盖的所有器件损耗功率总和,其中器件损耗功率可通过查表法和模型计算法获取。利用电路理论知识,容易获取各点温度和器件结温。

图1　RC热网络

为了实现上述热路仿真,Plecs开发了相应的独立Thermal模块库,其基本元件包括热收集器HeatSink、热阻ThermalResistor、热容ThermalCapacitor、热链ThermalChain、热流仪表和热流常数等模块,这些模块与图1中热阻热容对应。利用这些热元件和电路理论知识,学生很容易搭建各种热路模型。

3　基于软件Plecs的仿真教学实例

3.1降压斩波电路

以降压斩波(Buck)电路为例,说明Plecs平台在热-电联合仿真教学中的应用。Buck电路是DC-DC变换器中的典型电路,也是教学重点。Buck电路如图2所示,在电感电流连续情况下,电压u0为

图2　Buck电路

式中,ton为开通时间,toff为关断时间,α为占空比。开关管(功率管V和二极管D)在导通期间和开关过程中产生损耗,损耗大小跟开关频率、负载等有关。负载越大、开关频率越高,开关管损耗越多,即发热量越大。热能通过热路向外传递,导致温度变化。为了保证电路能正常工作,需要保证器件结温在安全工作范围内。

3.2Buck电路Plecs热-电联合模型

图3给出了Buck电路热-电系统仿真模型,模型可分成两部分:一部分是调制脉冲波生成、数据波形输出处理以及仿真条件设置等,这部分采用Matlab/Simulink建模,可充分利用Matlab在控制和信号处理技术的优势；另一部分为主电路及热路部分,这部分采用Plecs完成,可充分利用Plecs在仿真速度、热-电联合建模方面的优势。

图3　Simulink平台上Buck电路热-电系统仿真模型整体图

图4给出了Plecs平台上Buck热-电子系统仿真模型,其中图4(a)为发热元件开关管和续流二极管集

成封装的热路模型,适用于开关管和二极管集成封装的电路；图4(b)为分立元件的开关管和二极管的热路模型,其中开关管V的热路模型由Plecs现有模块ThermalChain构成,二极管D的热路模型由分立热阻和热容元件搭建,功能与模块ThermalChain相同。由图4可见,Plecs平台上热路建模灵活、简易、直观。与其他软件建模相比,Plecs不仅能对主电路建模,还能对热路建模。

图4　Plecs平台上Buck电路热-电子系统仿真模型

3.3仿真结果分析

图5给出了发热元件集成封装的Buck电路仿真结果,其中图5(a)为输出电压波形,图5(b)为发热器件结温波形。由图5可见,电路电压响应具有较短的暂态过程,热路结温暂态过程较长,且集成封装的开关管和二极管结温相同。图6给出了发热元件分立器

件的Buck电路结温仿真结果。对比图6和图5(b)可知,封装或者散热器不同,器件的结温相差很大。集成封装的功率器件结温容易过高,超出容许范围,导致器件烧坏。另外,由图5可见,负载不同时结温相差很大,通过改变负载设置,容易观察到电路参数对器件结温的影响。

图5　集成封装的Buck电路仿真结果

通过仿真可见,学生可以利用Plecs平台灵活、容易、直观地搭建电力电子电路的热-电联合仿真模型,可得到主电路、热路模拟结果,可帮助学生理解不同电路负载、控制技术等对器件温度的影响,从而为电力电子技术课程设计和后续相关课程的学习打下基础。

4　结语

电力电子技术教学中热-电现象因复杂、理解难度大而常被忽视。引入Plecs平台进行主电路热-电联合建模仿真的辅助教学新方法取得了较好的教学效果。该方法具有建模简单、灵活、直观的优点。热-电仿真有

图6　分立器件结温波形

助于电力电子主电路热理论教学与仿真教学的联系,有助于提高教学的生动性,加深学生对电力电子主电路热-电知识的理解。

References)

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Thermal-electronicsimulationteachingofpowerelectroniccircuitbasedonPlecs

TangShengxue,LiZhankai,ChenLi

(Province-MinistryJointKeyLaboratoryofElectromagneticFieldandElectricalApparatusReliability,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Aimingtotheshortcomingofmaincircuitthermal-electronicteachinginpowerelectronictechnology,thispaperintroducesthethemal-electronicco-simulationmethodbasedonPlecsplatformforteachinginclassroom,whichcanmodelthetheoryofthermalcircuitandtheheatsinkconcepttoimprovethesimplicity,flexibilityandintuitivision.Themodelscanbeusedtoobtaintheresultsofthermalandelectroniccharacteristicsatthesametime,andthesimulationcanbeusedquicklytoboostthestudents’understandingofthermal-electronicknowledge.

powerelectroniccircuit;thermal-electronicsimulationmodel;teachingresearch;Plecs

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.030

2016-01-17修改日期：2016-03-02

河北省自然科学基金项目(E2015202263)资助；河北省高教学会高等教育科研课题(GJXH2015-276)资助

唐圣学(1976—),男,湖南蓝山,博士,副教授,研究方向为电力电子技术及教学、智能电网.

E-mail：35762187@qq.com

TN710；TP391.9

A

1002-4956(2016)7-0126-03