LTspice软件在“电力电子技术”教学改革实践中的应用
2021-04-13李春杰李心仪李洪美赵明伟
李春杰， 李心仪， 李洪美， 赵明伟
(江苏师范大学 电气工程及自动化学院，江苏 徐州 221116)
0 引言
“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业的必修基础课程，是一门实用性、工程性和综合性很强的课程[1]。随着新型电力电子器件、电路拓扑结构和控制理论的发展，以及新型产业的出现，电力电子技术得到了飞速发展和应用。
“电力电子技术”作为一门重要的专业基础课，学生对本课程的理解程度直接影响后续专业课程的开展。以王兆安、刘进军编著的《电力电子技术》教材为例，本课程内容涉及到的知识面广，电路工作原理分析多 、工作波形多等特点。为了使学生更好理解各种器件特性以及变换电路的工作原理，需要对传统的教学模式进行改革。虽然目前的教学方式除了理论教学外还配有一定量的实验课。但是实验设备 、器材 、经费 、场所和人员等的限制，不可能就所有的电路都去做实验；而且在实验过程中，容易出现器件损坏，影响后续实验的进行，也使学生增加了负担，往往在实验中放不开，只求记录波形 、数据，因此实验效果不好[2]。因此， 针对“电力电子技术”课程教学中存在的问题，很多学校从教学内容、教学方法、教学手段等各方面进行了探讨与改革。文献[1～7]将各种仿真软件应用到“电力电子技术”教学改革中，通过仿真波形更好地理解变换器的工作原理及工作状态。但是仿真软件中的电力电子器件不需要选型，都是基于理想器件。文献[8～10]是通过做项目巩固并深入理解电力电子技术，做到学以致用，将理论知识实用化。如果所有的变换器都以项目形式来做，实施起来困难较大。另外，还有一种方案，就是针对某一种变换电路在教学方法上进行改革，不同的变换电路教学方法不同，或者多种教学方法结合使用[11]。而本文将LTspice仿真软件应用到本课程教学中，LTspice仿真软件里的器件为实际器件，可以模拟硬件电路的设计[12]。不论采用哪一种教学改革，其根本目的就是让学生更好地掌握这门课程，培养学生的应用能力、创新能力以及解决、分析问题能力。
1 LTspice 仿真软件简介
LTspice是凌力尔特公司 (Linear Technology Corporation)推出的功能强大的开关电源设计及仿真软件，具有集成电路图捕获和波形观测功能[13]。通过这款软件，使用者可以快速地制作电路仿真图，还可以通过其他的原理图程序来捕获程序生成的网表。
LTspice XVII仿真软件中电力电子器件的模型更接近实际模型，使得仿真结果更接近于实际应用。例如，Cree公司生产的SiC功率器件，在 LTspice仿真软件中可以直接调用[14]，而其他仿真软件，需要自己搭建模型。另外，LTspice XVII仿真软件安装方便，学生可自行下载安装。
2 课堂知识与实际的应用——LTspice环境下的变换器模型建立与仿真
本文采用了 LTspice XVII，在实际教学工作中以电力电子技术中典型的Boost DC-DC变换器仿真电路为例，并取得了较为理想的教学效果。
2.1 Boost 变换器的设计
让学生利用所学的理论知识设计一个开关电源。设计开关电源过程中会遇到很多问题，可以锻炼学生的解决问题能力。培养学生主动思考、积极解决问题，给他们自由发挥空间，不要过度依赖教学内容。
Boost DC-DC变换器如图1所示，工作在电感电流连续情况下，设计参数如下[15]：
输入电压Vin=120Vdc；
输出电压Vout=240 Vdc；
输出功率Pout=2kW；
开关频率fs=100kHz。
在搭建仿真模型之前，让学生做些准备工作。例如，从图1找出需要哪些器件，器件的选取以及电感、电容的取值等。
图1 Boost DC-DC变换器
1) 器件选取
开关管关断时，两端承受的电压为Vout，开关管导通时，流过的最大电流为输入电流的最大值, 留有一定余量，选取实际器件型号为Cree公司的C3M0065100K(1000V, 35A)[15]。二极管关断时，两端承受的电压为Vout，二极管导通时，流过的最大电流为输入电流的最大值，留有一定余量，选取实际器件型号为C4D20120A[16]。
2) 计算占空比
根据电力电子技术教材中Boost变换器理论分析，推导出输出电压和输入电压的关系式为：
(1)
根据设实例参数，求得占空比 ，导通时间为
(2)
3) 输出电感和电容设计(扩展内容)
教材里没有具体讲关于输出电感和电容设计。在搭建仿真模型时，学生就会问电感、电容如何取值？让学生提出问题，再通过教师讲解或者自行查阅资料解决问题，这样，可以激发学生的学习兴趣。
2.2 搭建仿真模型
仿真模型如图2所示，其设计步骤如下：
图2 仿真模型
(1) 打开LTspice XVII软件，点击file下的new schematic，即可创建新的原理图。
(2) 元器件的选取
根据设计要求，从元件库中调取供电直流电源、SiC功率器件C3M0065100K、C4D20120A，电感、电容以及电阻负载。
(3) 设置元器件参数
为元器件添加模型数据，右键点击元器件并命名与模型数据相同的名字来连接模型数据
(4) 绘制电路线路，完成原理图搭建，如图2所示。
(5) 设置仿真参数，点击run按钮即可开始模拟电路运行。
2.3 仿真结果分析
1) 输入电压和与输出电压之间的关系
根据设计要求，开关频率为100kHz，占空比为0.5，如图3(a)所示的驱动信号。理论输出电压值为240V，实际仿真结果为237.5V，如图3(b)所示，其值高于输入电压，基本满足式(1)的关系。图3(c)为改变占空比时输出电压的波形，可以看出，随着占空比的减小，输出电压也减小。
(a) 驱动信号
(b) 输出电压和输入电压关系仿真波形
(c) 占空比为0.4时对应的输出电压波形图3 相关仿真波形
2) 开关管状态与电感电流之间的关系
开关管T1状态与电感电流之间的关系，如图4所示，从分析波形可以看出，功率管导通，电感电流线性增长；功率管关断，电感电流线性减小。
图4 开关管状态与电感电流仿真波形
3) 效率分析
设计中，输出功率理论值为2kW，实际仿真中，发现输出功率为1.956 kW，近似等于理论值。学生就会问为什么呢？或者教师提出问题，让学生去思考。这个问题就涉及到变换器效率问题，也就引出了器件损耗问题。抽丝剥茧，把所有问题引出来，让学生积极参与进去，发现问题，解决问题，既提高了学生分析问题、解决问题的能力，又调动了学生学习的积极性。
3 结语
将LTSpice仿真软件引入教学改革实验当中，使课堂教学更生动、有趣。学生通过搭建仿真模型，掌握了如何设计电路；通过仿真结果，可以很直观地观测电路中任意点的波形，分析电路的工作状态及原理。通过教师演示和学生亲自动手设计、调试，学生可以更好地掌握所学的知识，同时提高了学生的动手能力和分析问题、解决问题的能力；减少了操作的盲目性，改善了教学效果，丰富了教学方法；补偿了传统实验中因硬件设备条件、使用时间所受的限制。
