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电力电子电路仿真软件综述作者：乔峥来源：《无线互联科技》2014年第09期摘要：随着计算机软件技术的不断发展，电力电子电路仿真软件也不断的更新换代，本文着重介绍OrCAD PSpice、saber、PLECS、CASPOC、Matlab 五种常见的电力电子仿真软件的主要功能和缺点，便于使用者选择合适的软件进行电力电子电路仿真分析和设计。
关键词：电力电子技术；仿真软件；主要功能；缺点随着计算机技术的不断发展，越来越多的电力电子仿真软件为电气工作者提供了极大的便利，本文着重介绍五种常见的电力电子仿真软件，便于使用者根据实际需要选择合适的软件进行电路仿真分析和设计。
1 OrCAD PSpice仿真软件PSpice属于元件级仿真软件，模型采用spice通用语言编写，移植性强，常用的信息电子电路，是它最适合的场合。
现在使用较多的是 PSpice 10.5，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。
PSpice 的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。
该软件的主要功能有：（1）复杂的电路特性分析，如：蒙特卡罗分析。
（2）模拟、数字、数模混合电路仿真。
（3）集成度提高。
该软件的缺点有：（1）不适用于大功率器件。
（2）采用变步长算法，导致计算时间的延长。
（3）仿真的收敛性较差。
2 Saber仿真软件Saber仿真软件被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是saber的最大特点。
Saber是混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
Saber的仿真真实性很好，从仿真的电路到实际的电路实现，参数基本不用修改。
几款软件的对比分析1. PSpice 仿真软件简介：PSpice属于元件级仿真软件，模型采用spice通用语言编写，移植性强，常用的信息电子电路，是它最适合的场合。
现在使用较多的是 PSpice 8.0,工作于 Windows 环境,占用硬盘空间60M左右，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。
PSpice 的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。
主要功能：（1）复杂的电路特性分析，如：蒙特卡罗分析（2）模拟、数字、数模电路仿真（3）集成度提高缺点：（1）不适用于大功率器件（2）采用变步长算法，导致计算时间的延长（3）仿真的收敛性较差。
2. saber仿真软件简介：被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是saber的最大特点。
Saber最为混合仿真系统，可以兼容模拟、数学、控制量的混合仿真，便于在不同层面撒谎那个分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
Saber的仿真真实性很好，从仿真的电路到实际的电路实现，期间参数基本不用修改。
主要功能：（1）原理图输入和仿真（2）数据可视化和分析（3）模型库（4）建模缺点：操作较复杂，原理图仿真常常不收敛导致仿真失败，很占系统资源，环路扫频耗时太长（以几十分钟计）3. PLECS仿真系统简介：被全球众多知名公司的研发工程师誉为“全球最专业的系统级电力电子电路仿真系统”，也是一个用于电路和控制结合的多功能仿真软件，尤其适用于电力电子和传动系统。
PLECS独立版本已于2010年开发，自此PLECS脱离MATLAB/Simulink。
PLECS独立版具有控制元件库和电路元件库，采用优化的解析方法，仿真速度更快，比PLECS嵌套版本快2.5倍。
实时数字仿真器（RTDS）介绍由于电力系统的特殊性，对很多故障处理方法不可能进行现场的实际模拟运行分析，只能借助于计算机仿真手段。
数字仿真系统具有独特的灵活性、试验的可控制性和准确的可重复性及系统试验的安全性和经济性等诸多优点，使得数字仿真系统得到广泛的应用。
数字仿真系统分为两种：非实时数字仿真软件和实时数字仿真器。
1.1非实时数字仿真软件常用的仿真工具大多为非实时的仿真程序。
下面介绍国内外应用最广泛的两种软件。
1.1.1电磁暂态仿真程序/电磁暂态分析软件(ATP/EMTP)EMTP（electromagnetic transients program）是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件,它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点,对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析。
它的典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）后一些特定变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统保护设备实验的有力工具。
ATP（alternative transients program）是EMTP的免费独立版本。
1.1.2电力系统计算机辅助设计/直流电磁暂态程序（PSCAD/EMTDC）Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC(electromagnetic transients including DC)的初版，这是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD(power system computer-aid design)是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分的可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。
1.2实时数字仿真器（RTDS）RTDS(real-time digital simulator)是计算机并行处理技术和数字仿真技术发展的产物，是由加拿大Manitoba高压直流(HVDC)研究中心开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统,该系统中的电力系统元件模型和仿真算法是建立在已获得行业认可，且已广泛应用的EMTDC基础上的，是EMTDC的实时化，仿真，频率响应精确到3000Hz。
人们通常期望硬件工程师能在紧迫的项目时间内交付成果。
电路和系统设计人员必须使用一切工具来构建精确、可靠工作的设计方案，使其在第一次运行表现良好。
为了满足这些需求，加之如今不断变化的办公环境，意味着可以在家或远程操控的电路仿真和验证工具比以往任何时候都更具价值。
我们发现，工程师正在缩减设计的原型设计和评估阶段。
某些情况下，他们会直接使用最终的印刷电路板（PCB），但大家都希望能降低电路错误的风险。
为此，德州仪器针对高性能、全功能模拟仿真平台的日益增长的需求，与Cadence一同推出了PSpice® for TI，为业内标准OrCAD Pspice环境的全功能版本，使器件评估和在验证时模拟整个子系统变得更容易。
首先，为什么要使用SPICE仿真？数十年来，以集成电路为重点的仿真程序（SPICE）一直在帮助工程师解决硬件设计问题。
电路仿真有三种主要用例：· 器件评估。
有时甚至在实际器件或应用电路实际可用之前，就可测量特定产品在特定应用中的性能。
· 验证设计。
构建物理原型之前，构建和仿真复杂的电路板级和系统级设计能让工程师对其电路充满信心，并缩短设计时间。
设计验证包括在最坏情况下仿真电路运行的能力，以及产品在温度、极端电压和器件容差等参数发生变化时确保能够正常运行。
· 设计调试。
如果设计效果不如预期，工程师通常会通过仿真来解决系统中的问题或漏洞。
无需重新加工和测试实际PCB，SPICE仿真也可找到并初步测试电路修复情况。
利用PSpice for TI，通过电路仿真的能力来完成这些任务可帮助您缩短开发时间并推动产品快速上市。
基于计算机的仿真具有固有优势。
例如，如今在家办公更为普遍，使用仿真意味着您可在任何地方的项目上取得重大进展。
您也无需等待零件、PCB或实验室设备，只需建立您的仿真测试台即可。
您可以通过电子方式与其他团队成员轻松共享电路仿真，以进行较大的系统级仿真或同行设计审查。
现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。
高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。
目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。
(一)Ansoft公司的仿真工具现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。
高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。
目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。
Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题：SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。
该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。
该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。
它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。
仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。
(二)SPECCTRAQuestCadence的工具采用Sun的电源层分析模块：Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。
该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。
电源电路设计常用软件合集介绍，是你常用的吗
工欲善其事，必先利其器。
作为一个电子工程师，要想工作顺利，掌握过硬的技术能力是必要条件，但好的工具往往能起到事半功倍的效果。
小编总结了一些工程师常用的电源电路设计软件，希望能帮到各位工程师。
1.SPICE模拟电路仿真
用于模拟电路仿真的SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。
1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进
行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。
与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。
现在用得较多的是PSPICE6.2，在同类产品中是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。
无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。
2.Saber开关电源首选
Saber用来设计各种电源设备，如DC/DC、AC/DC、DC/AC、AC/AC，能。
几种电源仿真软件介绍（转摘）
IsSpice是美国Intusoft公司推出的一种商业仿真软件，是ICAP/4软件集成系统的重要组成部分。
ICAP/4软件集成系统主要由SpiceNet、PreSPice、InSpice和IntuScope四大功能模块组成。
ICAP/4的工作流程是：首先进入SpiceNet绘制电路图，并生成相应的Netlist文件，然后执行IsSpice仿真软件模块，在仿真之前系统将自动连接PreSpice仿真资料库中的元件模型，仿真完成之后利用IntuScope波形分析处理模块对仿真模型进行分析处理。
SpiceNet是电路原理图绘制模块，主要实现电路原理图的绘制、Netlist文件的自动生成、瞬态波形显示以及交互式仿真控制。
SpiceNet与当前流行的各种仿真系统兼容，其输出文档格式适用于Mentor、OrCAD和Protel系统。
ICAP/4工业版的PreSpice元件资料库中包含10,000种以上的元件模型，以ASCⅡ格式保存，用户可以随时通过仿真模型浏览器Parts Browser对不同元器件供应商提供的元件模型进行浏览。
同时，ICAP/4系统还提供了100多个通用模型，输入相应的元件参数后即可直接调用。
另外，用户可以即时通过Internet下载最新的元件库。
InSpice是具有完善的仿真控制功能的交互式仿真软件，其主要特点包括：（1）瞬态波形显示；（2）电路元件电压、电流、功耗及模型参数显示；（3）采用ICL交互式编程语言控制仿真过程；（4）可进行成组参数扫描；（5）可进行交流、直流、瞬态、噪声、傅立叶、失真度、温度、直流灵敏度、蒙特卡罗分析和最佳化分析；（6）可测量电路参数临界值。
IntuScope波形分析处理软件能够实现数字式存储示波器和频谱分析仪的功能，能够对仿真结果进行实时分析和计算处理。
主要能够实现：（1）显示各种分析类型的仿真波形；（2）波形分析参数包括：有效值、峰-峰值、平均值、最大值、最小值；（3）允许同时显示和分析大量波形；（4）可进行回归、滤波、增益、相位、上升/下降时间分析和计算。
用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。
1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。
与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。
PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。
1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim 公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。
目前，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 9.0，与传统的SPICE软件相比，PSPICE 9.0在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。
ORCAD PSPICE Release 9.0共有六大功能模块，其中核心模块是PSPICE A/D，其余功能模块分别是：Capture（电路原理图设计模块）、Stimulus Editor（激励信号编辑模块）、Model Editor（模型参数提取模块）、PSPICE/Probe（模拟显示和分析模块）和Optimizer（优化模块）。
虽然PSPICE应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。
由于SPICE软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。
PSPICE采用变步长算法，对于以周期性的开关状态变化的电力电子电路而言，将造成大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，有时甚至不收敛。
另外，在磁性元件的模型方面PSPICE 也有待加强
Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。
Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电子、航空、运输、家用电器及军事等领域。
与传统仿真软件不同，Saber在结构上采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。
应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。
Saber可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真。
利用Analogy公司开发的Calaversas算法，Saber可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且可以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现了无缝联接。
Saber适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统等等。
只要仿真对象能够用数学表达式进行描述，Saber就能对其进行系统级仿真。
在Saber中，仿真模型可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。
因此，Saber可以对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果可以同时获得。
为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将自动采用下一种算法。
通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间也越长。
普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平衡。
Saber采用其独特的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的仿真精度。
Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的实现与Cadence Design System、Mentor Graphics和Viewlogic的集成。
通过上述软件可以直接调用Saber进行仿真。
目前，美国Analogy公司与浙江大学电力电子应用技术国家工程研究中心合作成立了Analogy亚洲系统仿真中心（ZASC），一方面为亚太地区Saber用户提供技术支持和技术服务，另一方面也承接电力电子、机电一体化和混合技术的系统仿真、计算机辅助设计项目，并为企业培养系统仿真工程技术人才。
