GeckoCIRCUITS 手把手教程 —— 从零搭一个 Boost PFC

你将学会：打开 GeckoCIRCUITS → 从空白画布拖元件搭建一个 Boost PFC → 设定滞环电流控制 → 运行仿真 → 看输入电流波形 → 比对 THD。 预计时间：45 分钟（第一次）。前置：无需仿真经验。建议先读完 LTspice 手把手 了解 buck 原理（PFC = boost + 电流环）。 本机安装：/home/sam/GeckoCIRCUITS/。启动：~/gecko-build/start-gecko-stack.sh（带远程接口）或直接 java -jar /home/sam/GeckoCIRCUITS/GeckoCIRCUITS.jar。

本教程的目标电路

一个滞环电流控制的 Boost PFC（与 Gecko 官方实验课 TutorialExercises/2_PFC/C_pfc.ipes 同拓扑）：

电网 230V/50Hz ── [二极管桥] ── [电感 10mH] ── [开关管] ── [输出电容] ── 390V DC
                                     ↑            │
                              [电流控制器] ←── 电流采样
                                     ↑            │
                              [正弦参考] ←── 电压外环 ── 输出电压反馈

比对目标：输入电流 THD ≈ 11.3%（官方实验课解答数据，已收入 90_资料源/Gecko_PFC_Solution.pdf）。

第 1 步：启动 GeckoCIRCUITS

方式 A：GUI 启动

java -jar /home/sam/GeckoCIRCUITS/GeckoCIRCUITS.jar &

应该看到 GeckoCIRCUITS 主窗口：左侧是元件库面板（分类树），右侧是白色画布，顶部是工具栏。

方式 B：先打开官方示例参考

# 在 GeckoCIRCUITS 中：File → Open → 选择：
/home/sam/GeckoCIRCUITS/TutorialExercises/2_PFC/C_pfc.ipes

打开后你会看到完整的 PFC 电路——本教程教你从空白画布自己搭一个等效的。可以先看一眼官方版，然后 File → New 新建空白，跟着下面步骤做。

第 2 步：认识元件库面板

左侧元件面板按类别分组。PFC 需要的元件：

第 3 步：搭主功率级

3.1 放交流源

• 左侧面板 → Electrical → Sources → VOLTAGE_SOURCE
• 拖到画布左侧
• 双击 → 参数设置：
  • Type: SINE
  • Amplitude (peak): 326V（= 230V × √2）
  • Frequency: 50Hz
• 点 OK

3.2 放二极管桥

• 拖 4 个 DIODE 到画布
• 连成全桥（D1: AC_L→DC+, D2: DC+→AC_L, D3: AC_N→DC+, D4: DC+→AC_N）
• 双击每个 → Forward voltage: 0.6V（默认）
• 或者直接用 桥式整流模块（如果元件库有 BRIDGE_RECTIFIER）

3.3 放升压电感

• 拖 INDUCTOR 到画布，放在 DC+ 输出后
• 双击 → L = 10mH（10e-3）
• 点 OK

3.4 放开关管

• 拖 IDEAL_SWITCH（或 IGBT）到画布
• 位置：电感输出端对地
• 双击 → Ron = 10mΩ
• 点 OK

3.5 放升压二极管

• 拖 DIODE，从开关管上端到输出
• Forward voltage: 0.6V

3.6 放输出电容

• 拖 CAPACITOR
• 输出到地
• C = 470µF

3.7 放负载电阻

• 拖 RESISTOR
• 输出到地
• R = 85Ω（对应 1793W @ 390V，与官方实验课口径一致）

3.8 连线

• 点击一个元件的端子 → 拖到另一个元件的端子 → 释放完成连线
• 或者：先点起点端子 → 再点终点端子

主回路连线清单：

AC_L → 桥D1/D2 → 桥DC+ → L.1(左)
L.1(右) → SW上端 + 升压D1阳极
SW下端 → GND
升压D1阴极 → C+ → RL → GND
桥DC- → GND

第 4 步：搭控制环（滞环电流控制）

这是 PFC 的控制核心：让电感电流跟踪正弦参考。

4.1 电流采样

• 拖 CURRENT_SCOPE 或 AMMETER，串在电感回路中
• 这给出实际电感电流 iL 的测量信号

4.2 正弦参考信号

• 拖 SINE 控制块
• Amplitude = 11A（对应 ~1793W/230V 的基波幅值）
• Frequency = 50Hz
• 这个信号 = “理想输入电流波形”

4.3 电流误差 = 实际 - 参考

• 拖 SUB（减法器）
• 输入 A = 电感电流采样
• 输入 B = 正弦参考
• 输出 = 电流误差

4.4 滞环比较器

• 拖 HYSTERESIS 控制块
• 参数 h = 1.0（滞环阈值 ±1A）
• 输入 = 电流误差
• 输出 = 开关控制信号（误差 > +1A 时输出 -1 关断，误差 < -1A 时输出 +1 开通）

原理：电感电流超过正弦参考 +1A → 关断开关（电流下降）；低于参考 -1A → 开通开关（电流上升）。电流被“夹”在正弦参考 ±1A 的带内。

4.5 驱动信号

• 滞环输出（±1）需要转换为开关驱动（0/1）
• 用 GAIN 块：增益 = 0.5，偏置 = 0.5 → 将 ±1 映射为 0/1
• 或者用限制块（LIMIT 0→1）

4.6 连接控制信号到开关管

• 控制输出 → 开关管的栅极端子

第 5 步：放示波器

• 拖 SCOPE（或 VOLTAGE_SCOPE/CURRENT_SCOPE）
• 通道 1：电网电压（VOLTAGE_SCOPE 接 AC 源）
• 通道 2：电感电流（CURRENT_SCOPE 串在电感回路）
• 通道 3：开关控制信号
• 通道 4：输出电压

第 6 步：设仿真参数

• 菜单 Simulation → Simulation Control（或按工具栏齿轮图标）
• 设置：
  • Tstart: 0
  • Tstop: 0.1s（5 个工频周期 @50Hz）
  • dt (Timestep): 2e-6 s（2µs——够解析 50Hz 和开关细节）
• 点 OK

第 7 步：运行仿真

• 菜单 Simulation → Start Simulation（或点工具栏▶按钮）
• 底部状态栏显示进度
• 10ms 工频仿真在普通电脑上 <30 秒

第 8 步：读波形

仿真结束后，双击示波器图标打开波形窗口。

你应该看到：

比对官方数据：

第 9 步：比对 THD

GeckoCIRCUITS 内置 THD 分析：

• 菜单 Tools → Fourier Analysis（或右键示波器）
• 选电感电流通道
• 设置：
  • 基频: 50Hz
  • 窗口: 整数个周期（如 0.08~0.10s = 1 个周期）
• 点 Calculate

你应该得到 THD ≈ 11.3%（如果取了非整数周期会得到荒谬值——见下方的陷阱）。

第 10 步：参数扫描（体验仿真的价值）

改两个参数看效果：

实验 1：改电感

• 双击电感 → 10mH 改为 2mH
• 重新运行仿真
• 读 THD：应该几乎不变（~11.4%）——电感不影响 THD（影响开关频率）

实验 2：改滞环带宽

• 双击滞环块 → h = 1.0 改为 3.0（容差带 ×3）
• 重新运行仿真
• 读 THD：应该恶化到 ~14%——容差带是 THD 的旋钮

实验结论（写入实验报告）

常见陷阱与排查

精炼速查

元件拖放清单

仿真参数卡

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