不斷進(jìn)化的電力電子設(shè)計(jì)：先進(jìn)模擬工具

電力電子設(shè)計(jì)是現(xiàn)代工程中的關(guān)鍵因素，它對(duì)眾多應(yīng)用的效率、可靠性和性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在考慮制造工藝差異和最壞情景的同時(shí)，開(kāi)發(fā)出符合嚴(yán)格要求的電路，需要精確且精密的工具支持。
電力電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域正在快速演進(jìn)，引領(lǐng)著高速、高效組件的新時(shí)代。在此演變過(guò)程中，安森美（onsemi）推出突破性的模擬工具，重新定義了工程師對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行概念化、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的方式。安森美的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(shí)間。這些工具應(yīng)用于EliteSiC系列產(chǎn)品時(shí)，能精確展現(xiàn)電路的實(shí)際運(yùn)行行為，尤其是當(dāng)EliteSiC技術(shù)在邊界條件下運(yùn)行時(shí)的情況。

 
圖一 : Elite Power仿真工具和PLECS模型自助生成工具

這項(xiàng)創(chuàng)新的前沿性，在于該款直觀(guān)且全面的仿真平臺(tái)，賦予工程師以前所未有的便捷性來(lái)進(jìn)行可視化、模擬設(shè)計(jì)，并且優(yōu)化復(fù)雜的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
此工具為工程師提供一個(gè)獨(dú)特的數(shù)字環(huán)境得以測(cè)試和完善設(shè)計(jì)，進(jìn)而推動(dòng)了尖端技術(shù)水平的發(fā)展。PLECS模型及其準(zhǔn)確性是Elite Power 仿真工具有效性的關(guān)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。
這款模擬工具的核心在于其能夠精確仿真多種電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC變換器等。安森美提供超過(guò)40種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)，為工程師們提供了豐富的資源庫(kù)來(lái)探索和優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。
在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）和太陽(yáng)能逆變器等關(guān)鍵系統(tǒng)，展現(xiàn)出極大價(jià)值。同樣地，這款工具也適用于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的車(chē)載充電機(jī)（OBC）和主驅(qū)逆變器系統(tǒng)。

 
圖二 : 在Elite仿真工具中選擇應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

挑戰(zhàn)
業(yè)內(nèi)過(guò)去創(chuàng)建PLECS模型主要依賴(lài)與制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)一致的基于測(cè)量的損耗表。然而，這種方法面臨幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
* 依賴(lài)測(cè)量設(shè)置：開(kāi)關(guān)損耗數(shù)據(jù)受到特定應(yīng)用布局和電路寄生參數(shù)的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在變化和不準(zhǔn)確性。
* 數(shù)據(jù)密度有限：導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗數(shù)據(jù)通常不夠密集，阻礙了在PLECS中進(jìn)行精確插值計(jì)算，往往需要外推計(jì)算，這可能會(huì)影響準(zhǔn)確性。
* 典型半導(dǎo)體條件：損耗數(shù)據(jù)通常代表的是標(biāo)稱(chēng)半導(dǎo)體工藝條件，可能忽視了實(shí)際應(yīng)用中的各種變化和實(shí)際情況。
* 只適用于硬開(kāi)關(guān)情況：源自數(shù)據(jù)手冊(cè)生成的雙脈沖損耗數(shù)據(jù)所建立的模型，僅適用于硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)將其應(yīng)用于軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或同步整流仿真時(shí)，這些模型的準(zhǔn)確性會(huì)大大降低。

安森美透過(guò)引入PLECS模型自助生成工具（SSPMG），解決采用傳統(tǒng)的基于測(cè)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(shí)，考慮了特定無(wú)源組件對(duì)能量損耗的影響，提供更密集、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)精確仿真。
SSPMG包含半導(dǎo)體制程的變化來(lái)構(gòu)建實(shí)際模型，并建立出適用于軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可適應(yīng)模型，從而確保在硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)景之外仍具有可靠性。這一等級(jí)的客制化確保了所進(jìn)行的仿真，能夠真實(shí)反映用戶(hù)的實(shí)際工作條件，消除了基于通用數(shù)據(jù)手冊(cè)模型相關(guān)的不準(zhǔn)確性。用SSPMG設(shè)計(jì)的PLECS模型可以無(wú)縫上傳到Elite Power 仿真工具，也可以下載到獨(dú)立的PLECS中使用。

 
圖三 : SSPMG的特點(diǎn)之一：密集損耗表

 
圖四 : SSPMG的特點(diǎn)之一：軟開(kāi)關(guān)模擬

模擬工具
該工具的核心優(yōu)勢(shì)在于其后臺(tái)運(yùn)行的系統(tǒng)級(jí)仿真工具PLECS。PLECS是一款系統(tǒng)級(jí)仿真工具，它采用專(zhuān)為速度和準(zhǔn)確性而設(shè)計(jì)的組件模型，使整個(gè)系統(tǒng)的建模和仿真更為簡(jiǎn)便。這款工具結(jié)合了易于使用的基于網(wǎng)頁(yè)環(huán)境，在設(shè)計(jì)過(guò)程中賦予工程師出類(lèi)拔萃的優(yōu)勢(shì)。
這款工具的意義不僅體現(xiàn)在其模擬能力上。它不僅僅是一個(gè)模擬工具，更是幫助工程師為他們的應(yīng)用選擇理想組件的強(qiáng)力指引。該工具提供了安森美豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，工程師采用該工具可以無(wú)縫瀏覽各種產(chǎn)品系列，權(quán)衡性能與成本，并做出明智的決策。
PLECS不是一個(gè)基于SPICE的電路仿真工具，其重點(diǎn)不在于電路組件的低層行為。功率晶體管被視為簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，可以被很容易地配置用來(lái)展示導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換之間相關(guān)的損耗。PLECS模型，被稱(chēng)為「熱模型」，包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的查找表，以及采用Cauer或Foster等效網(wǎng)絡(luò)形式的熱鏈結(jié)構(gòu)。

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(hù)能夠精確仿真其應(yīng)用環(huán)境。這種能力在業(yè)內(nèi)是超前的。
這款模擬工具具備直觀(guān)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(kāi)關(guān)的損耗表現(xiàn)。這款多功能3D可視化工具結(jié)合了裝置導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和熱阻抗等數(shù)據(jù)。這款模擬工具具備設(shè)計(jì)客制化散熱器模型的功能，使用戶(hù)能夠精確預(yù)測(cè)結(jié)點(diǎn)溫度，并針對(duì)其特定需求優(yōu)化冷卻解決方案。
這款工具中的模擬階段能夠非常詳細(xì)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(diǎn)溫度等各種參數(shù)的詳情。此外，該工具還具有一個(gè)快捷機(jī)制，可用以比較不同裝置、電路參數(shù)、冷卻設(shè)計(jì)和損耗模型的運(yùn)行情況。

 
圖五 : Elite Power仿真工具的特點(diǎn)之一：損耗繪圖

這款工具的一大優(yōu)勢(shì)在于它能夠提供數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步分析。用戶(hù)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(hù)在自己的環(huán)境中進(jìn)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夠進(jìn)行深入評(píng)估并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。
這款模擬工具和SSPMG可適用多種半導(dǎo)體技術(shù)。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組件領(lǐng)域。這種廣泛的應(yīng)用能夠確保工程師可以針對(duì)各種裝置利用這些工具，并根據(jù)各自的具體需求客制化模擬方案。

精確度
在虛擬原型設(shè)計(jì)中運(yùn)用模擬工具，帶來(lái)了設(shè)計(jì)流程的重大變革。如今，工程師和設(shè)計(jì)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(dá)到理想性能。
在仿真復(fù)雜電子電路時(shí)，精確度是一個(gè)至關(guān)重要的因素。對(duì)資料手冊(cè)條件之外的情況進(jìn)行模擬尤為關(guān)鍵，因?yàn)榭梢匀〉猛ǔｋy以通過(guò)物理測(cè)試獲得的大量數(shù)據(jù)。這種模擬方法有助于在虛擬環(huán)境中優(yōu)化和分析電路性能。透過(guò)應(yīng)用精確的模擬技術(shù)，可以避免低估或高估系統(tǒng)性能。
然而，在此過(guò)程中，模型的準(zhǔn)確性具有決定性作用?！冈愀獾妮斎氡貙?dǎo)致糟糕的輸出」，這一經(jīng)典法則同樣適用于此場(chǎng)景。安森美認(rèn)同這一理念，并不遺余力地確保無(wú)論是在SPICE或是PLECS等級(jí)都能提供準(zhǔn)確的模型。

（本文作者James Victory為安森美電源方案事業(yè)群TD建模和仿真方案高級(jí)研究員）