開關(guān)電源的電路仿真分析（建模）方法

　　電路仿真分析方法主要有：狀態(tài)變量法、節(jié)點分析法、改進的節(jié)點分析法、狀態(tài)空間平均法等。

　　1）以狀態(tài)變量法為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)

　　狀態(tài)變量法可以很容易地得到電路的瞬態(tài)性能，并評價電路的穩(wěn)定性。狀態(tài)變量法是以電路中某些支路的電壓和電流當(dāng)做狀態(tài)變量建立電路的狀態(tài)方程。一般是取電容上的電壓和電感中的電流作為未知的狀態(tài)變量，然后再用圖論的方法列出方程，來決定每一電路的固有樹（Proper Tree）。電路各變量并不直接包含在狀態(tài)變量中，而是利用一組顯式代數(shù)方程求出。

　　對于開關(guān)轉(zhuǎn)換器這樣的離散電路，應(yīng)首先列出電路的分段線性狀態(tài)方程，而后求狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，并由此導(dǎo)出描寫電路的非線性差分方程，此法稱為離散時域法。美國VIRginia電力電子中心開發(fā)的面向系統(tǒng)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器仿真軟件COSMIR就屬于這一類型。它將開關(guān)器件理想化，轉(zhuǎn)換器的每一個運行模式都由一組線性時不變狀態(tài)方程描述，在考慮開關(guān)條件以后，用直接數(shù)字積分法或解析法求解，可以快速地得到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)或大信號瞬態(tài)響應(yīng)。也有的以網(wǎng)孔法或節(jié)點法為基礎(chǔ)而建立的離散時域法仿真程序。

　　以狀態(tài)變量法為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)的缺點是：不能與SPICE等通用電路仿真程序兼容；由于開關(guān)器件理想化，不能分析器件開通或關(guān)斷瞬間開關(guān)器件上的電應(yīng)力變化。

　　2）以節(jié)J點分析法為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)

　　以節(jié)點分析法為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)等大系統(tǒng)的仿真，有EMTP、ATP、PECAN等程序。EMTP是電力系統(tǒng)瞬態(tài)分析的工具，￣｛＼TP則是功率轉(zhuǎn)換器和電力傳動的仿真工具。PECAN是專用于仿真電力電子閉環(huán)系統(tǒng)的分析程序。以節(jié)點分析法為基礎(chǔ)仿真電力電子電路，其主要的缺點是：處理電源不充分，不能包含與電源有關(guān)的元件；不便得到支路電流；難以實現(xiàn)有效的數(shù)字積分；分析線性電路的零、極｀點要用特殊技術(shù)；難以快速分析電力電子電路的穩(wěn)態(tài)等。

　　3）以改進的節(jié)J點分析法為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)

　　對節(jié)點分析法進行改進，引入適當(dāng)?shù)闹冯娏鳎妷涸醇案鞣N與電流有關(guān)的元件，相應(yīng)的支路關(guān)系成為附加電路方程，部分地改善了上述節(jié)點分析法的一些缺點。SPICE通用電路仿真程序就是以此法為基礎(chǔ)形成的。在這一技術(shù)中求解方程時采用的是直接法，即將非線性代數(shù)一微分方程式轉(zhuǎn)換為一組非線性差分方程，應(yīng)用牛頓一拉夫遜法迭代求解方程組，利用稀疏LU分解技術(shù)連續(xù)求解線性代數(shù)方程組。它的主要缺點仍是：電力電子電路穩(wěn)態(tài)分析費時較多；線性電路零、極點分析需要特殊技術(shù)，而且需要更多的電路變量等。

　　4）以狀態(tài)空間平均法為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)

　　狀態(tài)空間平均法是目前國際上公認的分析PWM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的有效方法。其實質(zhì)為：利用一個周期內(nèi)的平均狀態(tài)變量，將一個非線性、時變、開關(guān)電路，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€等效的非線性、時不變、連續(xù)電路，因而可以對開關(guān)轉(zhuǎn)換器做大信號瞬態(tài)分析，并可以決定其小信號傳遞函數(shù)及零、極點配置，建立一個狀態(tài)空間平均電路模型。美國加州理工學(xué)院研究開發(fā)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器仿真軟件（Switching CONverter Analysis Program，SCAP）就是以狀態(tài)空間平均法為基礎(chǔ)編制而成的，可以在個人計算機上進行直流和小信號分析。

　　在用SPICE（Simulati。n Program With Integrated Circuit Emphasis）通用電路程序具體仿真一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器時，也結(jié)合狀態(tài)空間平均法的概念，從而建立開關(guān)轉(zhuǎn)換器功率電路及控制集成電路的仿真模型，分別編制出SPICE仿真子程序，附加到SPICE程序中，可以進行大信號、小信號瞬態(tài)分析及直流分析。