周 凯，那日沙，王旭东

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080）

Saber在电力电子技术仿真中的应用

周 凯，那日沙，王旭东

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080）

在电力电子技术课程教学中引入仿真环节，能够有效提高教学质量。相对于变流电路的原理性知识而言，电力电子技术课程教学的重点更应倾向于对功率元件门极特性的分析和门极驱动电路的使用方面。该文通过实例，着重研究Saber软件在功率元件驱动控制教学中的应用，包括软件建模、参数设计以及仿真分析的过程。应用Saber软件可使原理与概念形象化，加深学生对电力电子技术的理解，有效提高教学质量。

电力电子技术；Saber；门极驱动

1 Saber软件概述

电力电子技术课程包含多个学科的知识，已成为高校电气工程及其自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。电力电子技术课程涵盖了大量的功率元件描述、电路原理及波形分析。如果教师在该课程教学中充分利用多媒体资源，引入仿真演示环节，将使学生对电力电子功率元件的使用和对电路原理的分析有更直观的了解［1－2］。

Saber是美国Synopsys公司的一款模拟及混合信号仿真软件，可进行不同类型混合系统的仿真，用于电力电子、电机学、机械等课程实验教学。

Saber包括Sketch、Simulator、Cosmos Scope，可用来完成多层次设计、电路仿真模拟、仿真测试与波形显示等功能，其器件库包含多种电力电子器件模型，同时还提供一定数量的集成电路芯片。在实际应用中，Saber的模型库中的模型是有限的，无法为用户提供全部或最新的集成电路模型，因此，有时需要利用MAST语言来完成一定的硬件设计。MAST语言建模实际上是用线性（或非线性）代数、微分方程（组）来描述对象的特征。有些IC生产厂商为了使用户更好地了解其产品特性，在网站上发布了一些基于Saber软件的模型可供下载使用，这为系统仿真提供了极大的便利。

在仿真过程中可以对模型进行多种类型的分析，其中比较常用的是DC分析、AC分析、傅里叶分析、瞬态分析，仿真分析结束后可以在Cosmos Scope中观测各节点信号波形。

Saber仿真软件具有广泛的应用领域，软件的使用也比较简单，将此工具与电力电子技术课程教学结合，有助于学生掌握理论知识、提高实践能力［3－4］。

2 在教学中引入仿真工具的目的

在电力电子技术课程教学过程中，会涉及到许多使用功率元件的电路。为了达到理想的教学效果，通常要将功率元件理想化，将其等效为理想的开关，而理想开关的驱动信号又往往来自理想的脉冲电压源。这种教学方法虽然能够从理想的角度阐述电路原理，且学生也愿意从这个角度去理解问题，但在这个过程中忽略了一个重要问题，即在任何情况下功率元件都不是理想的，功率元件的驱动问题在某些情况下要比电路本身的工作原理更重要。因此，课程教学必须理论与实际相结合。

在课程中引入仿真实验辅助教学可以达到以下的目的：

（1）加强对重点、难点问题的阐述；

（2）学生掌握理论知识更加深入；

（3）更直观地对电路或元件进行波形分析和原理验证；

（4）提高学生实践能力。

3 教学实例——IGBT半桥驱动电路仿真

3．1 IGBT栅极特性

IGBT（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管）的栅极与发射极之间有一层氧化膜进行隔离，氧化膜的击穿电压大约为20～30V，IGBT失效的常见原因之一就是栅极被击穿。由于IGBT的极间存在着分布电容Cge和Cgc，导线中又存在有分布电感Le，使得IGBT的实际驱动波形与理想驱动波形略有差异［5］。

栅极电阻Rg的选取也会对栅极驱动信号产生影响。栅极电阻可实现以下几个功能：（1）消除栅极振荡；（2）转移驱动器的功率损耗；（3）调节功率开关器件的通断速度［6］。不同型号的IGBT，栅极电阻的选择也会有一些差异，一般选取原则如表1所示（可参阅相关数据手册）。

表1 IGBT栅极电阻Rg选取的一般原则

栅极电阻选择不当可能出现以下问题。

（1）开关损耗增大。所选的栅极电阻值太大，会导致损耗过大，所以应减小栅极电阻值。

（2）产生过大的IGBT尖峰电压。使用的关断栅级电阻小，从而导致di／dt增大。应适当增大关断栅级电阻值。

（3）栅极电阻过热或烧毁。电阻的功耗和峰值功率能力不够，需调整电阻功率。

（4）EMI噪声。所用的栅极电阻非常小，导致du／dt或di）／dt变大，从而产生更多的EMI（electromagnetic interference，电磁干扰）。过高的栅极电阻值导致IGBT在开关期间在线性模式下运行时间过长，最终导致栅极振荡［7－8］。

3．2 高压悬浮驱动器IR2110

高压悬浮驱动器半桥驱动电路模型如图1所示。该电路具有自举功能，与自举功能相关的元件分别为自举电容C1和二极管VD1，C2为电源的滤波电容，S1、S2为IGBT。

高压侧悬浮驱动的自举原理如下。

假定在S1关断期间C1完成充电，且近似为电源电压。当芯片外部输入管脚HIN为高电平时，C1两端与S1的栅极和发射极并联，C1通过内部MOSFET（VM1），栅极电阻（Rg1）和S1极间电容Cgc1放电，Cgc1被充电。在此过程中，自举电容C1可视为电压源。当外部输入管脚HIN为低电平时，内部MOSFET（VM2）开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2构成回路迅速释放，S1关断；当外部输入管脚LIN为高电平时，S2开通，VCC经VD1，S2为C1充电，如此反复循环。

图1 半桥驱动电路模型

3．3 自举元件的选取

自举二极管（VD1）和电容（C1）的选取需要进行严格的计算，在实验过程中可能还要根据实际情况进行微调，才能使驱动器达到最佳的工作状态。

在极短的时间内向栅极提供足够的栅电荷才能使IGBT开通。假定在器件开通后，自举电容C1两端电压高于器件充分导通所需要的电压（10V），再假定在自举电容充电路径上有1．5V左右的压降（包括二极管VD1的正向导通压降），最后假定有一半的栅电压（栅极阈值电压UTH，通常3～5V）因漏电流引起电压降。综上所述，此时自举电容的计算可用式（1）表示：

式中：Qg为栅电荷，Vcc为电源电压。

若某型号IGBT完全导通所需栅电荷为Qg＝1．5 μC，Vcc＝15V，经计算可知，C1＝8．6μF，可取比计算值略大一些的电容，且耐压值应高于25V。

同时，在选择自举电容大小时，还应综合考虑前级驱动信号的频率及占空比，即悬浮驱动的最宽导通时间tmax和最窄导通时间tmin。导通时间较长会影响窄脉冲的驱动性能，导通时间较短会影响宽脉冲的驱动要求。根据IGBT的门极特性、开关速度和工作频率对导通时间进行设置，还需要在实际电路中进行调试才能确定［9－10］。

自举二极管是另一个十分重要的自举元件，它能够对直流侧的高压进行阻断，流过二极管的电流是栅极电荷与功率元件开关频率之积，一般都在1A以下。为了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的快恢复二极管，如1N4933、MR820等。

需说明的是：栅极电阻的功率受IGBT栅极驱动功率P的影响，一般来说，栅极电阻的功率应为栅极驱动功率的2倍或更大。IGBT栅极驱动功率P的计算可用式（2）表示：

式中：f为工作频率，U为输出驱动电压的峰值，Q为栅极电荷。

相关参数可参考IGBT数据手册。常见的IGBT驱动器（如TX－KA101）输出正电压15V，负电压－9 V，则U＝24V，若工作频率取f＝10kHz，Q＝2．8 μC，可计算出P＝0．672W，栅极电阻应选取2W电阻。

3．4 IGBT半桥驱动电路仿真

IR2110半桥驱动电路仿真模型如图2所示。IGBT的型号为APT35G60BN，查数据手册可知，功率等级为600V／35A，栅极电荷Qg＝45nC，代入式（1）计算得：C1＝25．7nF，可选择0．1μF的电容。

图2 IR2110半桥驱动电路仿真模型

自举二极管选择MR810快恢复二极管，反向恢复时间0．75μs。

栅极电阻的选取则是根据表1的规则近似选取，Rg＝30Ω，仿真参数设置中可不考虑电阻的功率问题。

在做仿真时需要正确理解仿真所研究的对象，只有在参数取值合理的情况下，才能获得理想的仿真结果，否则会出现仿真中断、计算结果不收敛等提示。由于此电路结构较为复杂，仿真速度会较慢，因此需要对仿真结束时间进行调整［11－12］。

对瞬态分析仿真器做如下设置：

End Time：10m；

Time Step：1u；

Run DC Analysis First：Yes；

Plot After Analysis：Yes－Open Only；

Waveforms at Pins：Across and Through Variables。

单击OK执行瞬态分析。这里分别对IGBT栅极驱动电压与负载两端电压进行观测，观测结果如图3所示。

由图3可知，由于电路元件的计算及取值较为合理，IGBT栅极驱动信号基本为理想的脉冲信号，上桥臂驱动信号对“地”被举升至48V，输出节点测试波形为36V矩形波，与负载电源电压等级一致。

图3 半桥集成驱动电路IR2110仿真波形

4 结束语

在电力电子技术课程教学中引入Saber仿真实验，使学生对理论知识的理解更加深入，尤其是对晶闸管、MOSFET和IGBT驱动电路的设计更加熟悉。在教学中部分课时采取教师讲授、学生仿真的形式，增强了学生的实际动手能力。学生逐步掌握搭建与调试电路的技巧，使理论与实际更紧密地结合，使分析结果可视化，对提高教师教学质量和学生学习效率有极大的促进作用。

（References）

［1］杨浩东，王伟．电力电子教学中常用软件对比［J］．中国电力教育，2012（3）：112－113．

［2］丘东元，眭永明，王雪梅，等．基于Saber的“电力电子技术”仿真教学研究［J］．电气电子教学学报，2011，33（2）：81－84．

［3］王红梅，黄华飞，唐春霞．Saber仿真在电力电子教学中的应用［J］．装备制造技术，2007（1）：80－82．

［4］秦岭，高宁宇，华亮，等．Saber仿真软件在“电机学”教学中的应用［J］．电气电子教学学报，2011，33（1）：64－66．

［5］吴胜华，张成胜，钟炎平，等．高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用［J］．电源技术应用，2002，5（7）：348－351．

［6］丁新平，马淋淋．Saber仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用研究［J］．中国电力教育，2011（6）：53－56．

［7］颜红，王艳春．Saber仿真在Buck电路结构推导教学中的应用［J］．科技咨询，2012（28）：195－196．

［8］王余奎，赵徐成，常军，等．基于Saber仿真的电源车励磁调压系统改进设计［J］．大功率变流技术，2011（3）：44－50．

［9］范立荣，孙丰涛，李辉．基于单相交错式并联PFC的Saber仿真应用研究［J］．通信电源技术，2014，31（1）：26－30．

［10］王建秋，刘文生．Saber仿真在移相全桥软开关电源研发中的应用［J］．电力电子，2009（4）：30－33．

［11］黄志武，秦惠．SABER仿真在LLC谐振变换器开发与设计中的应用［J］．通信电源技术，2008（2）：74－80．

［12］谢华林，杨金明．基于SABER仿真器的双管正激参数及控制环路的设计［J］．电源技术应用，2009，12（10）：8－11．

Application of Saber in power electronics simulation

Zhou Kai，Na Risha，Wang Xudong
（Collage of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

It is an effective teaching method by using simulation software to improve the teaching quantity in the Power Electronics course．The focus of the power electronic education should tend to analyze the gate characteristics of power components and to use gate driving circuit relative to the principle of converters．This paper mainly studies Saber software in the application of Power Component Driving and Control course．It introduces the software modeling，parameter design and analyzes the process of simulation through an instance．The application of Saber software not only makes the principles and concepts visualize，but also enhances the student’s comprehension of power electronics and improves the teaching quality．

power electronics；Saber；gate driving

G421

B

1002－4956（2015）3－0126－03

2014－07－19

黑龙江省青年科学基金项目（QC2012C126）；哈尔滨理工大学教学综合改革项目（zhjg32015054018）

周凯（1982—），男，黑龙江哈尔滨，博士，副教授，主要从事汽车电子及测试技术的研究．

E－mail：zhoukai4564＠163．com