QSPICE电力电子课程(二):电路图编辑器

在本电力电子课程的第一部分中，我们奠定了电力电子学的基础知识，介绍了关键概念，并重点阐述了仿真在电路研究和分析中的关键作用。

在第二部分中，我们将深入探讨QSPICE，它是全面理解决定功率电路行为的物理和电气现象的必备工具。我们将重点学习如何使用电路图编辑器，包括如何浏览工作环境、正确放置和连接元件，以及如何以有序且实用的方式绘制电路图。这一步骤至关重要，因为设计良好的电路图不仅更容易进行仿真，还能帮助我们清晰地思考电路，从而有助于后续部分中对结果的分析和解释。

不仅仅是验证

在设计电力电子项目时，最常见的错误之一是认为仿真仅用于验证电路是否正常工作。实际上，仿真器能够帮助我们全面了解电路运行过程中发生的情况，尤其是在瞬态过程中。

在本课程中，QSPICE并非项目的最终目标，也不是一个独立的学习环境。课程的重点不在于软件本身，而是将仿真作为一种研究工具。该仿真器就像一台“理想示波器”，即使在现实世界中难以测量或可能存在危险的情况下，也能显示电压、电流、功率和器件状态。

本文将开始有意识地使用QSPICE，重点观察电路的静态和动态行为，而不仅仅是绘制电路图。我们将逐步展示，即使是看似简单的电路，例如仅由MOSFET、整流二极管和几个偏置电阻组成，其看似简单的结构背后，实际上也可能隐藏着对单个元件极其严苛甚至可能造成破坏的工作条件。

破坏性工况的例子包括：电压远超器件额定值、峰值电流对元件造成应力、热过载使结温接近极限、振荡引发寄生谐振并产生无法容忍的电磁干扰等等。通过系统地运用仿真，我们可以仔细分析每一个瞬态过程、每一次开关动作、每一个功率脉冲，提前识别这些关键点，并在将元件焊接至PCB之前量化安全裕度。

我们的目标是设计出对终端用户更安全、长期可靠性更高、能效更高的电路。这使得仿真不再仅仅是简单的验证步骤，而是成为一种真正的科学研究工具，能够揭示原本不可见的物理机制，从而指导每一个设计选择，最终找到最优方案。

QSPICE的电路图编辑器

QSPICE的电路图编辑器是整个仿真环境的核心：在这个区域，项目从抽象的想法开始，以可视化的形式呈现，并转化为可用于计算机分析和仿真的数学模型。

得益于极其直观的用户界面，设计人员可以创建仿真电路、数字电路或混合电路，指定要运行的仿真类型，并查看和解读结果。如图1所示，编辑器窗口左侧有一个关键部分，该部分又细分为多个子部分，每个子部分都专门用于特定系列的元件或特定的绘图和测量工具。

图1：QSPICE的电路图编辑器。(来源：Giovanni Di Maria)

向电路图中添加电子元件非常简单直观。只需将元件从侧边栏拖到工作区即可(参见图2)。

图2：电路图中电子元件的布局。(来源：Giovanni Di Maria)

元件定位完成后，只需几个命令即可调整其方向、复制或修改。元件通过导线连接，这些导线代表电路的物理连接。

激活导线模式(按“W”键)后，光标会变成特殊指针：点击起始端子，沿着路径追踪，然后点击目标端子。如果两条导线交叉而没有连接节点，它们将保持隔离状态；要创建连接节点，只需将连接点直接放置在另一条导线上即可。

有一个关键方面是仿真能够为节点分配名称，这一做法强烈推荐，特别是在复杂电路中。节点名称可以提高电路图的可读性，并且在查询仿真结果时至关重要。在电路图中放置公共接地符号(GND)也必不可少。

定义仿真类型

绘制完电路电路图后，通过在文本元素中写入相关的SPICE指令(例如，.tran 5m)来定义仿真类型。在QSPICE中，仿真并非默认设置；必须指定要执行的分析类型。QSPICE提供了多种选项，涵盖广泛的分析类型：交流分析、运算放大器分析、波特图分析、瞬态分析、噪声分析、傅里叶变换分析、直流分析等等。

每种仿真类型都针对不同的需求：从验证直流工作电压到研究动态特性随时间的变化，再到频率分析和参数优化。这使得设计人员能够在完全掌控整个过程的同时，明确定义分析目标。

电路图中必须包含仿真指令，否则，将显示“Fatal error: No analysis command found”的消息。电路图完成并定义仿真类型后，即可通过顶部工具栏上的圆形绿色按钮启动分析。

要查看结果和示波图，请使用SPICE的“.plot”指令，也可以单击节点或元件以显示相应的电压和电流图。这些图是参数化的：如果更改元件值并重新运行仿真，曲线会立即更新。还可以将电路原理图和图形复制到剪贴板以供后续使用。

用脉宽调制发生器将功率减半

假设你有一个96V直流电源，但需要驱动一个设计功率为一半的大功率灯泡。PWM发生器是实现功率减半而不产生太多热量的最佳解决方案。

图3所示的电路使用非稳态发生器来驱动MOSFET的栅极，占空比为50%，频率为10kHz。

图3：由于采用了50%的PWM信号，灯泡以一半功率运行。(来源：Giovanni Di Maria)

由于这种开关机制，灯泡会以50微秒的通电时间和50微秒的断电时间循环往复，永无止境。如果灯泡是白炽灯，且PWM频率足够高，人眼将不会察觉到任何闪烁，只会感受到恒定的亮度，该亮度等于最大亮度的一半。

该级电路的能量效率超过99%，因为唯一的显著损耗是MOSFET导通电阻(RDS(on))消耗的功率，在本例中约为27mΩ。在此负载下，MOSFET的功耗仅为1.3W，与负载的功耗相比，这个数值完全可以忽略不计。

深入了解PWM发生器

在教程的第二部分中，我们简要介绍了QSPICE编辑器。如需了解更多详情，建议参考之前关于该软件的课程。在编辑器中执行的每个操作，例如放置MOSFET、二极管或接地节点，都是对项目设计进行改进的第一步。

每项操作都会影响后续结果和电路性能。有了电路图编辑器，就无需再绘制电路图，也无需冒着损坏MOSFET的风险去发现电感过小的问题。只需运行仿真即可立即查看电路的行为。

这个简单的PWM发生器示例表明，仿真器的强大功能可以显示一些在实际实验室中会被背景噪声掩盖，甚至更糟糕的是，会被侵入式测量风险所掩盖的结果和数值。50%的占空比只是一个数字，但当它与27mΩ的导通电阻RDS(on)和3A的电流结合时，仿真器会揭示出实际的损耗，它会导致MOSFET过热。

其实归根结底，一切都取决于数学和物理，正确的公式足以得出所需的结果。

仿真建议

从这个意义上说，电子仿真器加速了实验过程，使用户能够在几秒钟内从想法过渡到定量和定性验证。最后，我们再次重申一些建议遵循的实操技巧。

首先，要给电路电路图中的节点命名。这不仅是为了美化图表，更是为了建立可追溯性，并明确各种连接。随着时间的推移，这种做法将非常有用，因为设计人员更方便的查询节点，从而提供更清晰易懂的信息。这也有助于加快潜在错误的诊断速度。

第二个是明确插入仿真指令，以便准确声明要获得的结果类型。

仅仅随意移动一个MOSFET而不探究其原因，我们可能会构建出一个仿真结果正确的电路，却不理解其背后的原理。真正的专业技能不在于知道如何放置50个晶体管，而在于能够解释每一个操作、测量的合理性，或者更好的是，能够找出特定误差的根本原因。

责编：Ricardo