在电力电子系列课程的第一部分中，我们建立了电力电子的基础知识，介绍了关键概念，并强调了仿真在电路研究和分析中所起的关键作用。

在第二部分中，我们将深入探讨 QSPICE，这是透彻理解决定功率电路行为的物理和电气现象不可或缺的工具。我们将特别侧重于学习如何使用原理图编辑器，包括如何熟悉工作环境、正确放置和连接元件，以及如何有序且功能清晰地准备原理图。这一步至关重要，因为一个精心设计的原理图不仅更易于仿真，还能促使我们清晰思考电路，有助于分析和理解后续章节中讨论的结果。

超越验证

创建电力电子项目时，最常见的错误之一是认为仿真仅用于验证电路是否正确运行。实际上，仿真器提供了一个全面掌握功率电路运行过程中，尤其是瞬态过程中所发生情况的机会。

在本课程中，QSPICE 并非作为项目的终极目标，也不是作为一个独立的学习环境。课程的重点并非软件本身，而是将仿真作为一种研究工具。仿真器充当了一种“理想示波器”的角色，能够显示电压、电流、功率以及器件状态，甚至在现实世界中难以测量或可能存在危险的条件下也能做到。

本文中，我们开始有意识地使用 QSPICE，重点在于观察电路的静态和动态行为，而非仅仅是绘制原理图。我们将逐步看到，即使是一个看似初级的电路(可能只包含一个 mosfet、一个整流二极管和几个偏置电阻)，其简单的外表背后，实际上也可能隐藏着对单个元件极为严苛甚至具有潜在破坏性的工作条件。

破坏性条件的例子包括：电压远超器件额定值、导致元件承受压力的峰值电流、使结温接近绝对极限的热过载、引发寄生谐振并产生不可容忍的 EMI 的振荡等。通过系统地使用仿真，我们能够仔细检查每一个瞬态过程、每一次开关、每一个功率脉冲，从而提前识别这些关键点，并在将元件焊接到 PCB 之前量化其安全裕度。

我们的目标是设计出对最终用户更安全、长期运行更可靠、能效更高的功率电路。这使得仿真不仅仅是一项简单的后期验证工作，更是一个真正的科学研究工具，能够揭示那些原本不可见的物理机制，引导每一个设计选择趋向最优解。

QSPICE 原理图编辑器

QSPICE 的电气原理图编辑器是整个仿真环境的核心：在这个区域，项目从一个抽象的概念出发，形成视觉呈现，并转化为一个准备好进行基于计算机的分析和仿真的数学模型。

图1

得益于极其直观的用户界面，设计人员可以创建模拟、数字或混合电路，指定要运行的仿真类型，并检查和解释结果。如图 1 所示，在编辑器窗口的左侧，有一个关键区域被分成许多子部分，每个子部分都专用于特定系列的元件或特定的绘图和测量工具。

向原理图中添加电子元件相当简单直观。只需将元件从侧边栏拖放到工作区即可(见图 2)。

图2

元件放置后，可以通过几个命令进行方向调整、复制或修改。元件通过代表电路物理连接的导线进行连接。

激活导线模式(按“W”键)，光标会变成一个特殊的指针：点击起始端，绘制路径，然后点击目标端。如果两条导线交叉但没有节点，它们将保持隔离;要创建连接节点，只需将连接点直接放置在另一条导线上。

一个关键方面是能够为节点命名，这在复杂电路中尤其强烈推荐。节点命名可以提高原理图的可读性，并且在查询仿真结果时变得必不可少。在原理图中放置公共地符号(GND)是必需的。

定义仿真类型

绘制完电气原理图后，通过在一个文本元素中编写相关的 SPICE 指令(例如，.tran 5m)来定义仿真类型。在 QSPICE 中，仿真不是隐式的;必须指定要执行的分析类型。提供了多种选项，涵盖广泛的分析类型：交流、工作点、伯德图、瞬态、噪声、傅里叶、直流等等。

每种仿真类型对应不同的需求：从验证直流工作电压，到研究随时间变化的动态行为，再到频率分析和参数优化。这使设计人员能够在完全掌控过程的同时，明确定义分析目标。

原理图中必须包含一条仿真指令;否则，会出现“致命错误：未找到分析命令”的消息。原理图完成且仿真类型定义后，通过顶部工具栏上的绿色圆形按钮启动分析。

要查看结果和波形，可使用 SPICE 的 “.plot” 指令，或点击节点或元件以显示相应的电压和电流图。图形是参数化的：如果更改元件值并再次运行仿真，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进一步使用。

用于将功率减半的 PWM 发生器

假设我们有一个 96 VDC 电源，但需要驱动一个设计为半功率运行的大功率灯。PWM 发生器是在不将功率转换为热量的情况下将有效功率减半的最佳解决方案。

图 3 所示的电路使用一个非稳态发生器，以 10 kHz 频率、50% 占空比驱动 MOSFET 的栅极。

图3

通过这种开关操作，灯泡在每个周期内通电 50 µs，断电 50 µs，如此循环往复。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，只会看到相当于最大亮度一半的恒定亮度。

此级的能效超过 99%，因为唯一显著的损耗是 MOSFET 导通电阻(RDS(on))上消耗的功率，在本例中约为 27 mΩ。对于此负载，MOSFET 的功耗仅为 1.3 W，与负载的功耗相比绝对可以忽略不计。

深入了解 PWM 发生器

在第 02 讲中，我们简要介绍了 QSPICE 编辑器。更多详细信息，建议查阅此前关于同一软件的课程。在编辑器中执行的每一项操作，例如放置 MOSFET、二极管或接地节点，都代表着对项目设计提出疑问的第一步。

每一项操作都将影响未来的结果和电路性能。有了原理图编辑器，无需再搭建实际电路并冒着损坏 MOSFET 的风险来发现电感太小的问题。只需运行仿真即可立即检查电路行为。

简单的 PWM 发生器示例表明，仿真器的强大之处在于能够显示那些在真实实验室中会被背景噪声掩盖，甚至更糟地，被侵入式测量的风险所掩盖的结果和量值。50% 的占空比只是一个数字，但当它与 27 mΩ 的 RDS(on) 和 3 A 电流相结合时，仿真器揭示了导致 MOSFET 过热的实际损耗。

功耗的瞬时波形图成为一个“虚拟温度计”，远在真实元件烧毁之前就发出预警。归根结底，一切都归结为数学和物理，正确的方程式足以获得期望的结果。

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，我们建议遵循一些最佳实践。

首先是为电气原理图中的节点命名。这不仅仅是美化图表，更是为了建立可追溯性和各种连接。随着时间的推移，这种做法会非常有用，因为设计人员将查询名为“V_out”的节点，而不是“n004”，从而提供即时的清晰性和可理解性。这也有助于加快潜在错误的诊断。

其次是显式插入仿真指令，以便准确声明要获得的结果类型。“无仿真，因此无事可做”的错误信息只不过是一个有用的提醒，提醒我们指定仿真的目的。

如果不加思索地简单拖放一个 MOSFET，我们可能会搭建出一个仿真正确却不明所以的电路。真正的专业知识不在于知道如何放置 50 个晶体管，而在于能够证明每项操作、每次测量的合理性，或者更进一步，能够识别特定错误的原因。

本课程展示了电子原理图编辑器虽然易于使用，但始终使用物理和电子的语言，例如电流、电压、能量、热量、频率等等。即使在仿真器的任务完成之后，当元件必须焊接到实际 PCB 上时，这种语言仍将伴随设计人员左右。