演進中的電力電子設計：安森美先進仿真工具
發(fā)布日期:2024-04-15
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來源：安森美半導體 作者：James Victory
電力電子設計是現(xiàn)代工程中的關鍵因素，它對眾多應用的效率、可靠性和性能產(chǎn)生深遠影響。在考慮制造工藝差異和最壞情景的同時，開發(fā)出符合嚴格要求的電路，需要精確且精密的工具支持。
電力電子設計領域正在快速演進，引領著高速、高效元器件的新時代。在此演變過程中，安森美(onsemi)推出了突破性的仿真工具，重新定義了工程師對電力系統(tǒng)進行概念化、設計及驗證的方式。安森美新推出的Elite Power仿真工具以及PLECS模型自助生成工具（SSPMG）使電力電子工程師能夠縮短產(chǎn)品上市時間。這些工具應用于EliteSiC系列產(chǎn)品時，能精確展現(xiàn)電路的實際運行行為，尤其是當EliteSiC技術在邊界條件下運行時的情況。
圖1：Elite Power仿真工具和PLECS模型自助生成工具
這項創(chuàng)新的前沿性在于，該款直觀且全面的仿真平臺，賦予工程師以前所未有的便捷性來進行可視化、仿真設計并優(yōu)化復雜的電力電子拓撲結(jié)構。此工具為工程師提供一個獨特的數(shù)字化環(huán)境以測試和完善設計，從而推動了尖端技術水平的發(fā)展。PLECS模型及其準確性對于Elite Power 仿真工具有效性的關鍵一環(huán)。該仿真工具支持工程師上傳由SSPMG生成的自定義PLECS模型。
這款仿真工具的核心在于其能夠精確仿真多種電力電子拓撲結(jié)構，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC變換器等。安森美提供的超過40種拓撲結(jié)構選項使其在行業(yè)中處于領先地位，為工程師們提供了豐富的資源庫來探索和優(yōu)化他們的設計。在工業(yè)應用領域，安森美的Elite Power 仿真工具支持如直流快充、不間斷電源（UPS）、儲能系統(tǒng)（ESS）和太陽能逆變器等關鍵系統(tǒng)，展現(xiàn)出巨大的價值。同樣地，這款工具也適用于汽車行業(yè)的車載充電機（OBC）和主驅(qū)逆變器系統(tǒng)。
圖2：在Elite仿真工具中選擇應用和拓撲結(jié)構
挑戰(zhàn)
行業(yè)中過去主要采用以制造商數(shù)據(jù)手冊為參考的基于測量的損耗表創(chuàng)建PLECS模型。然而，這種方法面臨幾個主要挑戰(zhàn)：
1、依賴測量設置：開關損耗數(shù)據(jù)受到特定應用布局和電路寄生參數(shù)的影響，導致數(shù)據(jù)存在變化和不準確性。
2、數(shù)據(jù)密度有限：導通和開關損耗數(shù)據(jù)通常不夠密集，阻礙了在PLECS中進行精確插值計算，往往需要外推計算，這可能會影響準確性。
3、典型半導體條件：損耗數(shù)據(jù)通常代表的是標稱半導體工藝條件，可能忽視了實際應用中的各種變化和真實場景。
4、只適用于硬開關情況：源自數(shù)據(jù)手冊生成的雙脈沖損耗數(shù)據(jù)所建立的模型僅適用于硬開關拓撲結(jié)構。當將其應用于軟開關拓撲結(jié)構或同步整流仿真時，這些模型的準確性會大大降低。
安森美通過引入PLECS模型自助生成工具(SSPMG)，解決了采用傳統(tǒng)的基于測量損耗表生成PLECS模型方法所面臨的難題。這款工具在優(yōu)化模型時考慮了特定無源元件對能量損耗的影響，提供了更密集、更詳細的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)精確仿真。SSPMG包含了半導體工藝過程的變化來構建實際模型，并創(chuàng)建出適用于軟開關拓撲結(jié)構的可適應模型，從而確保在硬開關場景之外仍具有可靠性。這一水平的定制化確保了所進行的仿真能真實反映用戶的實際工作條件，消除了基于通用數(shù)據(jù)手冊模型相關的不準確性。用SSPMG設計的PLECS模型可以無縫上傳到Elite Power 仿真工具，也可以下載到獨立的PLECS中使用。
圖3：SSPMG的特點之一——密集損耗表
圖3：SSPMG的特點之一——密集損耗表
圖4：SSPMG的特點之一——軟開關仿真
仿真工具
該工具的核心優(yōu)勢在于其后臺運行的系統(tǒng)級仿真工具PLECS。PLECS是一款系統(tǒng)級仿真工具，它采用專為速度和準確性而設計的元件模型，使整個系統(tǒng)的建模和仿真變得更為簡便。這款工具結(jié)合了易于使用的基于網(wǎng)頁的環(huán)境，在設計過程中賦予工程師出類拔萃的優(yōu)勢。
這款工具的意義不僅體現(xiàn)在其仿真能力上。它不僅僅是一個仿真工具，更是幫助工程師為他們的應用選擇理想元件的強力引導。該工具支持安森美豐富的產(chǎn)品線，工程師采用該工具可以無縫瀏覽各種產(chǎn)品系列，權衡性能與成本，并做出明智的決策。
PLECS不是一個基于SPICE的電路仿真工具，其關注點不在于電路元件的低層行為。功率晶體管被視為簡單的開關，可以被很容易地配置用來展示導通和開關轉(zhuǎn)換之間相關的損耗。PLECS模型，被稱為“熱模型”，包括導通損耗和開關損耗的查找表，以及采用Cauer或Foster等效網(wǎng)絡形式的熱鏈結(jié)構。
Elite Power 仿真工具的主要特性
如前所述，利用SSPMG生成并上傳自定義PLECS模型的功能使用戶能夠精確仿真其應用環(huán)境。這種能力在行業(yè)內(nèi)是超前的。
這款仿真工具具備直觀的損耗和熱數(shù)據(jù)繪圖功能，使工程師能夠可視化所選開關的損耗表現(xiàn)。這款多功能3D可視化工具結(jié)合了器件導通損耗、開關損耗和熱阻抗等數(shù)據(jù)。
這款仿真工具具備設計自定制散熱器模型的功能，使用戶能夠精確預測結(jié)點溫度，并針對其特定需求優(yōu)化冷卻解決方案。
這款工具中的仿真階段能夠非常詳細地提供瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下的諸如損耗、效率和節(jié)點溫度等各種參數(shù)的詳情。此外，該工具還具有一個快捷機制，可用以比較不同器件、電路參數(shù)、冷卻設計和損耗模型的運行情況。
圖5：Elite Power仿真工具的特點之一——損耗繪圖
這款工具的一大優(yōu)勢在于它能夠提供數(shù)據(jù)以供進一步分析。用戶可以下載包括瞬態(tài)波形范圍數(shù)據(jù)在內(nèi)的以CSV格式展示的綜合數(shù)據(jù)集，便于用戶在自己的環(huán)境中進行深入分析。該仿真工具還包含可下載的PLECS模型。這些功能使工程師能進行深入評估并對設計進行微調(diào)以實現(xiàn)最佳性能。
這款仿真工具和SSPMG可適用多種半導體技術。雖然最初側(cè)重于碳化硅產(chǎn)品，但這兩款工具將逐步拓展至其他功率器件領域。這種廣泛的應用能夠確保工程師可以針對各種器件利用這些工具，并根據(jù)各自的具體需求定制仿真方案。
精確度
在虛擬原型設計中運用仿真工具帶來了設計流程的重大變革。如今，工程師和設計人員能夠在量產(chǎn)之前就理解這些電子電路的性能表現(xiàn)，從而首次就能達到理想性能。在仿真復雜電子電路時，精確度是一個至關重要的因素。對數(shù)據(jù)手冊條件之外的情況進行仿真尤為關鍵，因為可以獲得通常難以通過物理測試獲得的大量數(shù)據(jù)。這種仿真方法有助于在虛擬環(huán)境中優(yōu)化和分析電路性能。通過應用精確的仿真技術，可以避免低估或高估系統(tǒng)性能。然而，在此過程中，模型的準確性起著決定性作用。“糟糕的輸入必將導致糟糕的輸出”這一經(jīng)典法則同樣適用于此場景。安森美認同這一理念，并不遺余力地確保無論是在SPICE還是PLECS級別上都能提供準確的模型。
我們擁有一支全天候全球?qū)I(yè)團隊以及用戶指南和應用筆記等龐大文檔庫，我們確保用戶擁有取得成功的必要資源。我們持續(xù)參加行業(yè)會議、網(wǎng)絡研討會和教育培訓活動，進一步凸顯了我們對用戶賦能和傳授知識的堅定承諾。視頻和網(wǎng)絡研討會是引導用戶掌握我們仿真工具復雜功能的實用資源，它們不僅闡明操作步驟，還向用戶傳授每個動作背后的含義，確保用戶獲得全面深入的理解。
作者簡介
James Victory目前擔任安森美的高級研究員，專注于電力技術領域的建模與仿真研發(fā)工作。2008年6月，他創(chuàng)立了Sentinel IC Technologies公司，專攻射頻模擬及電力技術的設計實現(xiàn)。在此之前，他曾擔任Jazz半導體公司設計執(zhí)行總監(jiān)。他的職業(yè)生涯始于1992年在摩托羅拉公司的工作，在那里他專注于射頻模擬和電力技術的半導體器件建模。他在于1990年、1992年和1994年先后獲得亞利桑那州立大學電氣工程學士學位、碩士學位和博士學位。至今，他已經(jīng)發(fā)表了超過50篇學術著作，其中包括受邀論文與講座教程，并擁有6項關于半導體器件建模與仿真的專利。
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