40_仿真验证 02 —— 仿真实战：GeckoCIRCUITS 运行 PFC 与 LLC
本篇回答的问题：仿真软件到底怎么“跑起来”？01_开源仿真与设计工具 盘点的是工具矩阵（“该用哪个”）；本篇是上手实战课——以本机可用的 GeckoCIRCUITS（电力电子专用仿真器）为平台，真跑三个模型、真对三组数据，并把两条实测踩出来的操作纪律写清楚。
实测声明：本篇所有数据为 2026-10-01 在本机 GeckoCIRCUITS（安装于
/home/sam/GeckoCIRCUITS）经远程接口实际运行所得；官方对照数据出自教程解答 Gecko_PFC_Solution.pdf（ETH Zurich 2012 版 PFC 实验课解答）。两组数据独立取得，吻合度见 §3.3 比对表。软件操作按实测接口描述，界面细节以当前版本为准；工程结论标「本机实测」或「官方原文」。与本库的关系：PFC 控制策略对照 NCP1622（CrM）/ NCP1654（CCM）篇；LLC 对照 HR1000A / NCP1399 篇；环路平均模型对照 TND381 全译；仿真在流程中的门禁位置见 04_设计开发流程。
本篇总结
- 本机即可跑：GeckoCIRCUITS（Java 开源、ETH Zurich 教学血统）已装在本机，自带示例库、教程 PDF 与远程接口——“装软件、找模型”这一步被省掉，仿真直接进“跑数据”阶段。
- 比对三连全部吻合（本机实测 vs 官方解答）：整流基线 THD 162.9% vs 163%、PFC 解 THD 11.42% vs 11.3%、基线电感电流峰值 52.0 A vs 52 A——三组独立数据，误差 ≤1%。
- 滞环 PFC 的设计权衡被两个扫描实验钉死：电感 10→2 mH，THD 几乎不动（11.4%→12.0%）；容差带等效放宽 3 倍，THD 明显恶化（11.4%→14.1%）。THD 由容差带决定，电感决定开关频率——与官方解答“fS 随电感减小而升”的原话互证。
- 两条操作纪律（实际运行排障）：① 2012 年的旧版
.ipes文件在打开时会弹“旧版本”确认框，会阻塞自动化调用，手动确认一次即可；② THD/傅里叶分析的窗口必须取整数个工频周期——40 ms 窗口会算出 2807% 的假 THD（窗口基频 25 Hz，50 Hz 信号被当成谐波），换 20 ms 窗口即得正确的 11.42%。 - LLC 模型可直接上手：谐振电容/谐振电感/励磁电感/匝比全部可读可改，5 ms 仿真即得稳态波形——库内 LLC 理论（增益、ZVS、死区）可在同一平台复现。
- 与 LTspice 的分工（公开常识口径）：Gecko 内置元器件与控制系统块、测量即插即用，适合拓扑级/控制级快速验证；LTspice 适合器件级/环路级精细仿真（厂商 SPICE 模型、平均模型波特图扫描）。两者互补，见 07 篇 工具矩阵。
- 库内资料已存档：官方实验课练习册与解答 PDF 已收入 90_资料源（
Gecko_PFC_Exercise.pdf/Gecko_PFC_Solution.pdf）。
1. 本机环境：有什么、怎么起
1.1 安装与资产
| 资产 | 位置 | 说明 |
|---|---|---|
| 主程序 | /home/sam/GeckoCIRCUITS/GeckoCIRCUITS.jar |
电力电子/电力传动专用仿真器（Java） |
| 示例库 | Examples/Topologies/、Examples/education_www.ipes.ethz.ch/ 等 |
官方拓扑示例（Buck/Boost、VSR、Vienna、PFC 等） |
| 教程实验课 | TutorialExercises/{1_DCDC, 2_PFC, 3_three_phaseInverter}/ |
带练习册与解答 PDF 的成套课程（本文用 2_PFC） |
| 入门教程 | GeckoCIRCUITS_beginners_tutorial.pdf |
界面与建模入门 |
| 脚本接口 | GeckoSCRIPT/（GeckoSCRIPT.ipes、buck_control.ipes 等） |
官方脚本化仿真示例 |
1.2 启动方式
带远程访问的启动脚本：~/gecko-build/start-gecko-stack.sh（启动 GeckoCIRCUITS + HTTP 桥接服务）。桥接就绪后即可用命令行/工具接口驱动仿真——本文全部操作均通过远程接口完成，不需要手点界面。
1.3 远程接口能做什么（本篇用到的操作）
| 操作 | 接口 | 用途 |
|---|---|---|
| 打开模型 | gecko_open_file |
载入 .ipes |
| 查结构 | gecko_circuit_elements |
列出电路/控制/热元件 |
| 读参数 | gecko_get_parameter / gecko_list_parameters |
元件的全部可写参数 |
| 改参数 | gecko_set_parameter(s) |
参数扫描的基础 |
| 运行仿真 | gecko_run_simulation(dt, end_time) |
指定步长与时长 |
| 读波形 | gecko_scope_channels |
逐端口 avg/RMS/min/max/纹波 |
| 专项分析 | gecko_scope_analysis(kind=thd/fourier/rms/...) |
THD、谐波、有效值等 |
| 稳态检测 | gecko_steady_state |
自动跑到周期性稳态 |
2. 实战一：PFC 实验课（官方教程 2_PFC 全流程）
2.1 课程设计：三步递进
官方实验课给了三个模型（TutorialExercises/2_PFC/）：
| 模型 | 内容 | 回答什么问题 |
|---|---|---|
A_Rectifier.ipes |
230 V/50 Hz 电网 + 二极管桥 + 10 mH 电感 + 输出 | 不控整流的电流到底多差？（基线） |
B_pfc.ipes |
升压 PFC 雏形 | 加开关管与电感后的中间形态 |
C_pfc.ipes |
完整滞环电流控制 PFC | 容差带控制能把 THD 压到多少？ |
2.2 基线实测（A_Rectifier）
本机实测（仿真 0.12 s、dt=10 µs、取 0.08~0.10 s 稳态窗）：
| 量 | 实测值 | 官方解答 |
|---|---|---|
| 电网电压 RMS | 231.2 V（峰值 ±326 V） | 230 V/50 Hz（隐含） |
| 电感电流峰值 | ±52.0 A | “最大电流 52 A” |
| 输入电流 THD | 162.9% | “THD = 163%” |
官方解答同时给出参照：若输入电流是正弦（理想 PFC），230 V/1793 W 输出下电流峰值只需约 11 A（出处：Gecko_PFC_Solution.pdf 开篇）。52 A vs 11 A 的 4.7 倍差距，就是“没有 PFC”的代价——电流被二极管桥挤成窄脉冲，频谱上除 50 Hz 基波外全是奇次谐波（150 Hz、250 Hz……）。
2.3 PFC 解实测（C_pfc，滞环容差带控制）
模型要点（实读元件表）：二极管桥 + 升压电感（10 mH）+ 开关管 + 升压二极管 + 输出，控制环为滞环电流控制——电流误差信号经增益（0.003058）送入滞环比较器（阈值 ±1.0），直接产生栅极驱动。
本机实测（仿真 0.12 s、dt=2 µs、取 0.08~0.10 s 稳态窗）：
| 量 | 实测值 | 官方解答 |
|---|---|---|
| 输入电流 RMS | 7.73 A | — |
| 输入电流峰值 | ±13.0 A | — |
| 容差带信号 | ±1.0（实测确认） | “±1 A 容差带” |
| 电网电压 RMS | 229.8 V | — |
| 输入电流 THD | 11.42% | “11.3%（L=10 mH、k=0.2）” |
2.4 比对表（三组独立吻合）
| # | 指标 | 官方值 | 本机实测 | 偏差 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 整流基线电流峰值 | 52 A | 52.0 A | +0.1% |
| 2 | 整流基线 THD | 163% | 162.9% | −0.06% |
| 3 | PFC 解 THD | 11.3% | 11.42% | +1.1%（相对） |
三组数据分别来自官方 PDF 文字与独立实际运行，偏差都在仿真设置差异（二极管压降设置，官方注明“不同设置会得到略有差异的结果”）可解释的范围内。
2.5 官方解答的三个关键结论（翻译）
- THD 定义：“全部谐波的几何和与基波幅值之比”——163%（整流）与 11.3%（PFC）即按此口径。
- 过零畸变的原因（原文直译）：“在电流过零附近，输入电流偏离理想值——因为此处升压变换器的输入电压非常小。开关频率（由容差带给定）在此工况下不足以跟随理想电流形状。”这就是 PFC 电路 THD 的天然下限来源之一（对应库内 NCP1622 的 DCM 谷底工作段）。
- 开关频率与电感/容差带的关系（原文）：“平均开关频率 fS 随电感减小或容差带减小而升高”——频率与两者成反比关系，这就是下一节参数扫描的理论依据。
3. 实战二：参数扫描——“仿真是低成本试错台”
3.1 实验 1：电感扫描（10 mH → 2 mH）
| 设置 | 输入电流 THD（本机实测） |
|---|---|
| L = 10 mH（原设计） | 11.42% |
| L = 2 mH（缩小 5 倍） | 11.96% |
结论：电感缩小 5 倍，THD 几乎不动（差 0.54 个百分点）。原因是滞环控制下电流纹波被 ±1 A 容差带直接钳制——电压高时电流爬升快、开关频率自然升高，纹波幅度仍被压在容差带内。代价在开关频率：官方解答明确“fS 随电感减小而升高”（§2.5 结论 3），电感减小的真实代价是开关损耗上升。这条结论直接对应库内教训：电感取值在滞环 PFC 里是“频率/损耗”的设计变量，而不是“THD”的设计变量。
3.2 实验 2：容差带扫描（等效 ±1 A → ±3 A）
滞环阈值由外部增益链设定（增益 0.003058 ↔ 等效 ±1 A），把增益降到 1/3：
| 设置 | 输入电流 THD（本机实测） |
|---|---|
| 等效 ±1 A（原设计） | 11.42% |
| 等效 ±3 A（增益 ×1/3） | 14.13% |
结论：容差带放宽 3 倍，THD 从 11.4% 恶化到 14.1%。滞环 PFC 里 THD 的主导变量是容差带——它直接决定电流能“贴”理想正弦多近。设计上的代价同样清楚：容差带收窄 = THD 更好 + 开关频率更高 + 开关损耗更大，这就是为什么实际 PFC 芯片（如库内 NCP1622 的 CrM、NCP1654 的 CCM）用固定频率/谷底检测等不同机制，而不是无限收窄的滞环。
3.3 两个实验合起来的一句话
滞环 PFC 的设计权衡（实测版）：容差带定 THD，电感定频率；要 THD 就收带（付损耗），要频率就减感（付 THD 一点点、损耗更多）。 参数扫描在仿真里几秒钟就能看趋势，在硬件上要改板重测——这是“低成本试错台”的具体含义。
4. 实战三：LLC 模型上手
4.1 模型与参数（实读）
~/Downloads/LLC.ipes（LLC 半桥 + 变压器 + 副边整流 + 闭环反馈）：
| 元件 | 参数 | 值 |
|---|---|---|
| C.1（谐振电容 Cr） | C | 19.35 nF |
| L.1（谐振电感 Lr） | L | 71.8 µH |
| L.2（励磁电感 Lm） | L | 104.7 µH |
| Trans.1（变压器） | ratio | 3.13 |
| 谐振腔特征 | — | fr ≈ 1/(2π√(Lr·Cr)) ≈ 135 kHz（本机推算） |
4.2 实际运行读数（仿真 5 ms、dt=100 ns、稳态窗 3~5 ms）
示波器 5 个有效通道（OUTSCOPE）：
| 端口 | RMS | 峰峰值 | 推测信号（本机读图，待核实） |
|---|---|---|---|
| 0 | 800 | ±800 | 半桥中点/原边方波电压 |
| 1 | 21.6 | ±28.5 | 谐振腔电流（Lr 支路） |
| 3 | 1350 | ±1479 | 谐振电容电压 |
| 4 | 8.85 | ±15.4 | 副边/输出相关 |
| 5 | 1665 | ±2416 | 原边电流或驱动相关 |
通道与信号的对应关系由模型连线决定，本表为按数值量级的推测；打开模型在 Gecko 界面看探针标注可精确确认。
4.3 怎么用它继续（与库内 LLC 篇联动）
- 改参数看趋势：改
C.1/L.1/L.2复现 HR1000A 的 LLC 增益曲线（fn、Q、Lm/Lr 对增益的影响）；改死区观察 ZVS 条件（对应 NCP1399 的自动死区）。 - 稳态加速：模型可用稳态检测接口（
gecko_steady_state）自动跑到周期稳态，比盲跑长仿真快。
5. 操作纪律（实测排障）
5.1 旧版本文件会弹确认框
2012 年的教程 .ipes 在新版 Gecko 打开时会弹“旧版本文件”确认框——弹窗会阻塞自动化调用（本篇第一次二次打开 C 模型时接口调用超时 30 s 即为该弹窗所致；手动确认一次后正常）。批量脚本处理旧教程文件时预留手动确认，或先由界面打开一次。
5.2 THD/傅里叶窗口必须取整数个工频周期
实测教训：同一段波形，40 ms 窗口（0.08~0.12 s）算出 THD = 2807%，换 20 ms 窗口（0.08~0.10 s）得到 11.42%。原因：傅里叶分析以窗口长度定基频——40 ms 窗口的基频是 25 Hz，50 Hz 信号被判成“二次谐波”，分母（基波）几乎为零，THD 爆炸。取窗规则：整数个工频周期（50 Hz 取 20 ms 的整数倍）。这一陷阱对任何做 FFT 的工具都成立（LTspice 的 .four 同样要求整周期）。
5.3 步长（dt）选择速查
| 仿真对象 | 建议 dt | 本篇用例 |
|---|---|---|
| 工频级（整流、PFC 的工频评估） | 1~10 µs | A 模型 10 µs |
| 开关级（PFC 开关周期、跳周期） | 0.5~2 µs | C 模型 2 µs |
| 谐振级（LLC、ZVS 换流细节） | 50~100 ns | LLC 模型 100 ns |
5.4 与真实测量的关系
仿真过 ≠ 实测过——库内01_待核实与推断总表 的 A 级风险没有一条是仿真能拦住的（07 篇 §「仿真纪律」）。本篇的定位是数据比对：仿真数（11.42%）与官方数（11.3%）吻合，证明模型设置正确；仿真与手算的预期吻合，证明理解正确。两者都对，才轮到硬件。
6. 精炼速查
6.1 本机资产与命令卡
| 项 | 值/操作 |
|---|---|
| 安装目录 | /home/sam/GeckoCIRCUITS |
| 启动（带远程接口） | ~/gecko-build/start-gecko-stack.sh |
| PFC 实验课 | TutorialExercises/2_PFC/{A_Rectifier,B_pfc,C_pfc}.ipes |
| 官方数据 | 库内 90_资料源/Gecko_PFC_Solution.pdf |
| 运行仿真 | gecko_run_simulation(dt, end_time) |
| 读数据 | gecko_scope_channels / gecko_scope_analysis(kind=thd) |
| 参数扫描 | gecko_set_parameter → 跑 → 读，循环 |
6.2 比对数据卡（本篇核心）
| 场景 | 官方 | 本机实测 |
|---|---|---|
| 整流基线电流峰值 | 52 A | 52.0 A |
| 整流基线 THD | 163% | 162.9% |
| 滞环 PFC THD（±1 A、10 mH） | 11.3% | 11.42% |
| 电感 10→2 mH | —（趋势：fS 升高） | THD 11.42→11.96% |
| 容差带 ±1→±3 A | — | THD 11.42→14.13% |
6.3 陷阱清单
- 旧版
.ipes弹窗阻塞自动化——手动确认一次； - THD 窗口非整周期 → 假结果（2807% 案例）；
- 滞环 PFC 里“改电感降 THD”是错误方向——容差带才是 THD 的旋钮；
- 参数扫描前先跑一次基准并对上官方数（本篇比对三连），否则扫描的是错误配置；
- 仿真读数与库内手算比对是硬纪律（07 篇 §「仿真纪律」五条）。
上一级：仿真验证