在本電力電子課程的第一部分中，我們奠定了電力電子學的基礎知識，介紹了關鍵概念，并重點闡述了仿真在電路研究和分析中的關鍵作用。
在第二部分中，我們將深入探討QSPICE，它是全面理解決定功率電路行為的物理和電氣現象的必備工具。我們將重點學習如何使用電路圖編輯器，包括如何瀏覽工作環境、正確放置和連接元件，以及如何以有序且實用的方式繪制電路圖。這一步驟至關重要，因為設計良好的電路圖不僅更容易進行仿真，還能幫助我們清晰地思考電路，從而有助于后續部分中對結果的分析和解釋。
不僅僅是驗證
在設計電力電子項目時，最常見的錯誤之一是認為仿真僅用于驗證電路是否正常工作。實際上，仿真器能夠幫助我們全面了解電路運行過程中發生的情況，尤其是在瞬態過程中。
在本課程中，QSPICE并非項目的最終目標，也不是一個獨立的學習環境。課程的重點不在于軟件本身，而是將仿真作為一種研究工具。該仿真器就像一臺“理想示波器”，即使在現實世界中難以測量或可能存在危險的情況下，也能顯示電壓、電流、功率和器件狀態。
本文將開始有意識地使用QSPICE，重點觀察電路的靜態和動態行為，而不僅僅是繪制電路圖。我們將逐步展示，即使是看似簡單的電路，例如僅由MOSFET、整流二極管和幾個偏置電阻組成，其看似簡單的結構背后，實際上也可能隱藏著對單個元件極其嚴苛甚至可能造成破壞的工作條件。
破壞性工況的例子包括：電壓遠超器件額定值、峰值電流對元件造成應力、熱過載使結溫接近極限、振蕩引發寄生諧振并產生無法容忍的電磁干擾等等。通過系統地運用仿真，我們可以仔細分析每一個瞬態過程、每一次開關動作、每一個功率脈沖，提前識別這些關鍵點，并在將元件焊接至PCB之前量化安全裕度。
我們的目標是設計出對終端用戶更安全、長期可靠性更高、能效更高的電路。這使得仿真不再僅僅是簡單的驗證步驟，而是成為一種真正的科學研究工具，能夠揭示原本不可見的物理機制，從而指導每一個設計選擇，最終找到最優方案。
QSPICE的電路圖編輯器
QSPICE的電路圖編輯器是整個仿真環境的核心：在這個區域，項目從抽象的想法開始，以可視化的形式呈現，并轉化為可用于計算機分析和仿真的數學模型。
得益于極其直觀的用戶界面，設計人員可以創建仿真電路、數字電路或混合電路，指定要運行的仿真類型，并查看和解讀結果。如圖1所示，編輯器窗口左側有一個關鍵部分，該部分又細分為多個子部分，每個子部分都專門用于特定系列的元件或特定的繪圖和測量工具。
圖1：QSPICE的電路圖編輯器。(來源：Giovanni Di Maria)
向電路圖中添加電子元件非常簡單直觀。只需將元件從側邊欄拖到工作區即可(參見圖2)。
圖2：電路圖中電子元件的布局。(來源：Giovanni Di Maria)
元件定位完成后，只需幾個命令即可調整其方向、復制或修改。元件通過導線連接，這些導線代表電路的物理連接。
激活導線模式(按“W”鍵)后，光標會變成特殊指針：點擊起始端子，沿著路徑追蹤，然后點擊目標端子。如果兩條導線交叉而沒有連接節點，它們將保持隔離狀態；要創建連接節點，只需將連接點直接放置在另一條導線上即可。
有一個關鍵方面是仿真能夠為節點分配名稱，這一做法強烈推薦，特別是在復雜電路中。節點名稱可以提高電路圖的可讀性，并且在查詢仿真結果時至關重要。在電路圖中放置公共接地符號(GND)也必不可少。
定義仿真類型
繪制完電路電路圖后，通過在文本元素中寫入相關的SPICE指令(例如，.tran 5m)來定義仿真類型。在QSPICE中，仿真并非默認設置；必須指定要執行的分析類型。QSPICE提供了多種選項，涵蓋廣泛的分析類型：交流分析、運算放大器分析、波特圖分析、瞬態分析、噪聲分析、傅里葉變換分析、直流分析等等。
每種仿真類型都針對不同的需求：從驗證直流工作電壓到研究動態特性隨時間的變化，再到頻率分析和參數優化。這使得設計人員能夠在完全掌控整個過程的同時，明確定義分析目標。
電路圖中必須包含仿真指令，否則，將顯示“Fatal error: No analysis command found”的消息。電路圖完成并定義仿真類型后，即可通過頂部工具欄上的圓形綠色按鈕啟動分析。
要查看結果和示波圖，請使用SPICE的“.plot”指令，也可以單擊節點或元件以顯示相應的電壓和電流圖。這些圖是參數化的：如果更改元件值并重新運行仿真，曲線會立即更新。還可以將電路原理圖和圖形復制到剪貼板以供后續使用。
用脈寬調制發生器將功率減半
假設你有一個96V直流電源，但需要驅動一個設計功率為一半的大功率燈泡。PWM發生器是實現功率減半而不產生太多熱量的最佳解決方案。
圖3所示的電路使用非穩態發生器來驅動MOSFET的柵極，占空比為50%，頻率為10kHz。
圖3：由于采用了50%的PWM信號，燈泡以一半功率運行。(來源：Giovanni Di Maria)
由于這種開關機制，燈泡會以50微秒的通電時間和50微秒的斷電時間循環往復，永無止境。如果燈泡是白熾燈，且PWM頻率足夠高，人眼將不會察覺到任何閃爍，只會感受到恒定的亮度，該亮度等于最大亮度的一半。
該級電路的能量效率超過99%，因為唯一的顯著損耗是MOSFET導通電阻(RDS(on))消耗的功率，在本例中約為27mΩ。在此負載下，MOSFET的功耗僅為1.3W，與負載的功耗相比，這個數值完全可以忽略不計。
深入了解PWM發生器
在教程的第二部分中，我們簡要介紹了QSPICE編輯器。如需了解更多詳情，建議參考之前關于該軟件的課程。在編輯器中執行的每個操作，例如放置MOSFET、二極管或接地節點，都是對項目設計進行改進的第一步。
每項操作都會影響后續結果和電路性能。有了電路圖編輯器，就無需再繪制電路圖，也無需冒著損壞MOSFET的風險去發現電感過小的問題。只需運行仿真即可立即查看電路的行為。
這個簡單的PWM發生器示例表明，仿真器的強大功能可以顯示一些在實際實驗室中會被背景噪聲掩蓋，甚至更糟糕的是，會被侵入式測量風險所掩蓋的結果和數值。50%的占空比只是一個數字，但當它與27mΩ的導通電阻RDS(on)和3A的電流結合時，仿真器會揭示出實際的損耗，它會導致MOSFET過熱。
其實歸根結底，一切都取決于數學和物理，正確的公式足以得出所需的結果。
仿真建議
從這個意義上說，電子仿真器加速了實驗過程，使用戶能夠在幾秒鐘內從想法過渡到定量和定性驗證。最后，我們再次重申一些建議遵循的實操技巧。
首先，要給電路電路圖中的節點命名。這不僅是為了美化圖表，更是為了建立可追溯性，并明確各種連接。隨著時間的推移，這種做法將非常有用，因為設計人員更方便的查詢節點，從而提供更清晰易懂的信息。這也有助于加快潛在錯誤的診斷速度。
第二個是明確插入仿真指令，以便準確聲明要獲得的結果類型。
僅僅隨意移動一個MOSFET而不探究其原因，我們可能會構建出一個仿真結果正確的電路，卻不理解其背后的原理。真正的專業技能不在于知道如何放置50個晶體管，而在于能夠解釋每一個操作、測量的合理性，或者更好的是，能夠找出特定誤差的根本原因。
責編：Ricardo
