Multisim仿真在电力电子教学中的应用

张 民，周晓燕

（青岛理工大学 信息与控制工程学院，山东 青岛 266000）

0 引言

当前社会应用型本科人才紧缺，各大高校都普遍加强实践教学，重点培养应用型人才。实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要手段，并且能够很好地提高学生社会职业素养和就业竞争力[1]。“电力电子技术”是一门专业基础课程，与工程应用紧密相关，因此注重专业基础训练和工程素质培养，加强“电力电子技术”应用型改革是课程建设的重要任务之一。

1 教学过程中存在的问题

1.1 缺乏创新性

在传统的“被动”教学模式下，电力电子的课堂气氛不容易活跃起来。此外，电力电子的相关知识比较难以理解消化，特别是“电力电子技术”理论知识无法与工程应用实践有效结合。因此，许多学生在整个过程中无法掌握“电力电子技术”课程知识的整体知识结构以及把握其中的认知规律。传统的教学模式加上抽象的知识体系，会让学生学习这方面的知识感到枯燥和畏怯。因此，学生们学习“电力电子技术”课程有一定的难度。

1.2 对整体的综合教学内容需要进行一定程度的优化

对课程的整体教学内容需要进行一定程度的优化，这是确保理论知识的学习与实际应用衔接的重要方式，对学生的知识体系的构建以及动手能力的培养有显著的作用。然而，这一优化过程需要准备的内容较多，使得教师的工作时间占用较大，进而大大降低教师往这一方向靠近的积极性。为减少工作量，教师们往往每年的实验设计都用同一套题目。随着时间的推移，学生们往往会嫌实验教学题目老旧，提不起学习兴趣，甚至抄袭往届生的实验报告，草草应付了事。教师也因此不能清晰把握学生的实际学习掌握情况。

1.3 未来的实验教学方式

电力电子的实验教学需要的实验设备基本是功率器件，比如三相电源、晶体管、电解电容等。这些器件不仅价格较高，而且如果实验过程中操作不当，容易出现炸机事故，影响学生的人身安全。因此，在实验教学上，要注重利用仿真软件的应用。仿真软件中的元器件和真实的物理工作原理基本一致，学生在计算机上进行仿真可以保证学习过程中的安全性[2]。学生先将设计好的拓扑电路在仿真软件上进行搭建，先验证仿真效果。在仿真效果较好的情况下，再进行实验实际电路的搭建。这样可以保证实验的顺利进行。通过实验与仿真软件的结合，是提升电力电子实验教学未来趋势。

2 Multisim仿真软件

2.1 Multisim仿真软件的特点

电力电子的知识比较抽象，对刚刚开始接触这方面知识的学生来说不好掌握。此外“电力电子电路”是电类学科的基础科目，对其他课程的学习具有前期铺垫的作用，如果“电力电子电路”没有掌握好，则很难继续后续课程的学习。电力电子不仅具有理论知识难，还具备工程实践性强的特征。对学生的学习要求是理论储备和工程实践两手抓。仅靠实验室现有的设备往往会出现设备不足，且设备单一。仿真软件Multisim则可以有效摆脱传统实验教学这一困境，它具备：（1）软件中的器件图形形象直观；（2）具有的器件种类多样；（3）测量器件多；（4）分析实验波形图的方法丰富多样；（5）仿真速度快。利用Multisim进行辅助教学，学生可以根据实际工程指标，设计多种电力电子电路，并且验证设计的效果，为学生的电力电子学习插上飞翔的翅膀，有利于提高教师的教学质量。

2.2 Multisim仿真软件功能

Multisim是一款基于Windows操作系统的电子设计开发软件，使用简单、操作方便，因此得到了广泛的应用[3]。相比于Saber仿真软件，Multisim功能丰富，操作简单，它拥有丰富的电子元器件库，给电子开发工程人员带来了极大的便利。运用Multisim仿真软件可以较为理想的近似于实验环节，既保证了实验理论的真实性，又避免出现实验过程中遇到的安全性问题。

利用普通仿真软件进行仿真电路拓扑的仿真时，经常会使用到虚拟仪表进行相关参数的测量，确定电路结构是否到达预期的要求[4]。但是这些虚拟仪器一般只能进行常规参数的测量，例如电压、电流、频率及仿真波形等，测量结果具有一定的偶然因素，无法全面、系统的反映电路的完整工作特性，具有一定的局限性。而对于Multisim仿真软件而言，它不仅可以提供常规参数的测量功能，还可以进行完成电路结构在工作过程中的动态性能，仿真效果十分明显。

3 仿真实例

3.1 仿真电路模型的搭建

本文仿真实例选择了一种升压电路进行仿真研究，利用Multisim仿真软件建立了如图1所示的仿真原理图，其中各个器件仿真参数如表1所示。

图1 升压电路仿真分析原理

根据图1显示的改进型升压模块原理图，直流侧输入电压为10 V，直通占空比设计为0.45，输出侧电压值经万用表XMM1测量显示为100 V左右，经示波器显示为99.468 V左右，输出侧电压结果满足误差范围，输出电压值满足理论电压升压比分析公式。

表1 器件参数设置

3.2 波形结果显示

如图2所示为PWM驱动信号波形与开关管DS间电压波形，从图中可以看出，本次仿真占空比设定值为0.45，开关管导通电压为48 V。当驱动信号上升沿到来时，MOS管处于导通状态，DS端电压近似为0；当驱动信号下降沿到来时，MOS管关断，DS两端存在一定的管压降，符合实际分析结论。

图2 PWM驱动与开关管ds间压降电压波形对比

4 结语

通过Multisim仿真软件进行仿真时，可以培养学生进行“电力电子技术”的相关设计兴趣，通过仿真原理图搭建，让学生学会电路设计时的参数选型，进一步掌握电路的工作原理。最后引导学生通过一个系统、全面的方案进行一次完整的电路设计，可以进一步加深学生的理论学习效果，同时还可以进一步培养学生的动手能力与兴趣，培养学生的学习兴趣。同时为学生进行创新训练提供了一定的工具平台。在后续搭配适当的实验课程，将会取得事半功倍的教学效果[5]。