SaberRD示例設(shè)計：三相230V交流轉(zhuǎn)28V直流變換器

介紹

隨著對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，仿真已成為產(chǎn)品開發(fā)過程中的關(guān)鍵步驟。SaberRD 一直有助于為設(shè)計人員提供所有必要的功能，以最大限度地減少電路仿真工作。

SaberRD除了擁有眾多的分析工具、龐大的器件庫、超強的仿真器、眾多的建模工具、易用的GUI等功能外，還為設(shè)計人員提供了強大的工具，如實驗分析器、故障分析工具、 和最壞情況分析 （WCA）工具。

本設(shè)計示例詳細介紹了將Experiment Analyzer與WCA工具結(jié)合使用來優(yōu)化設(shè)計以滿足指標。本例是一個帶有 20-60 A 負載的 3 相 230V 400 Hz AC 至 28V DC 變換器。為了實現(xiàn)這一點，使用了下面提到的設(shè)計指標。

設(shè)計指標

下表是交流轉(zhuǎn)直流變換器的規(guī)格：

表1詳細設(shè)計指標

設(shè)計細節(jié)

三相 AC 到 DC 變換器包括以下模塊。請參看圖 1 顯示的完整電路圖。

• 三相交流電源
• 自適應(yīng)線路濾波器
• 變壓器整流單元
• DC 到 DC 降壓變換器
• 控制回路
• PWM 脈沖發(fā)生器

圖1 電路原理圖

以下各節(jié)對每個模塊進行了簡要說明：

1、三相交流電源：

該模塊由 Sabre 庫中的三相電機組成，用作交流發(fā)電機。該模型產(chǎn)生三相交流電。

2、自適應(yīng)線性濾波器：

自適應(yīng)線路濾波器，如下圖2所示，旨在滿足交流發(fā)電機輸出在幅度和頻率方面的廣泛變化。在自適應(yīng)線路濾波器中，電感大小根據(jù)來自 TRU 的整流電壓進行調(diào)整。

圖2 自適應(yīng)線性濾波器電路

3、變壓器整流單元（TRU）：

TRU 是一個 12 脈沖二極管整流橋式整流器。這是 Delta-Delta 變壓器和 Delta-Star 變壓器的組合。這些變壓器的輸出使用三相二極管橋式整流器進行整流。使用這種配置，輸出電壓紋波很低，輸入電流不會有三次諧波。原理圖見下圖3所示。

圖3 變壓器整流單元（TRU）

4、DC-DC降壓變換器：

使用高頻 DC-DC 開關(guān)變換器將TRU 的直流輸出降壓到所需的電壓水平。本設(shè)計中使用的配置是降壓變換器。

5、控制回路和 PWM 脈沖發(fā)生器：

閉環(huán)控制由外電壓環(huán)和內(nèi)電流環(huán)組成，以實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。該控制邏輯的輸出被饋送到PWM 脈沖發(fā)生器，該發(fā)生器為電源開關(guān)生成門脈沖。

電路分析

在SaberRD中對電路進行瞬態(tài)分析，以驗證設(shè)計的電路是否滿足表1中給出的所有規(guī)范。按下面的步驟進行：

1）運行瞬態(tài)分析

2）繪制所有需要的波形

3）測量參數(shù)

4）計算輸入/輸出功率，從而計算效率

5）檢查測量值是否在規(guī)格范圍內(nèi)

6）如果滿足所有規(guī)格，則設(shè)計完成

7）如果不滿足，請修改設(shè)計并重新運行步驟1-5，直到滿足規(guī)格

所有這些任務(wù)都可以使用Experiment Analyzer和最壞情況分析（WCA） 工具在 SaberRD 中自動化處理。Experiment Analyzer可用于執(zhí)行上面的步驟 1-6，并為設(shè)計人員提供一份關(guān)于滿足和不滿足規(guī)格的報告。然后，設(shè)計人員可以使用 WCA 工具執(zhí)行步驟 7 并優(yōu)化更改電路參數(shù)，以便設(shè)計符合規(guī)范。

上述部分介紹了三相 AC 到 DC 變換器設(shè)計優(yōu)化的過程。下面是具體的操作

第一步：加載設(shè)計

下載示例three_phase_ac2dc_conv.zip，解壓到本地。然后在SaberRD中打開設(shè)計three_phase_ac2dc_conv.ai_dsn。

第二步：創(chuàng)建實驗

1） 有三個途徑可以創(chuàng)建實驗：

• 選擇File > New > New Experiment.
• 在Simulate選項卡中，分析工具下拉欄選擇Experiment創(chuàng)建
• 在Experiment窗口中創(chuàng)建。

2） 在Experiment選項卡中添加所需的分析。

3） 添加Graph并選擇要繪制的信號（定義圖形和繪制信號選項）。

4） 將Measurements添加到各種信號以比較規(guī)格（測量選項）。

5） 添加各種“Test”，用于將不同規(guī)格與測量值進行比較。

為便于使用，設(shè)計中已經(jīng)創(chuàng)建了一個實驗Design_Specifications.ai_expt。用SaberRD打開該實驗。實驗中所有列出的點在都可以被觀察到。

流程如圖 4 所示。

圖4使用實驗分析器工具的實驗流程

第三步：運行實驗并分析結(jié)果

1）在Simulate選項卡中，從列表中選擇分析和設(shè)計規(guī)范中的實驗。

2）單擊運行，分析開始。

3）當實驗中列出的所有步驟都運行時，進度條顯示 100%。

4）實驗結(jié)果和實驗中提到的圖形顯示在結(jié)果窗格中。

5）雙擊實驗報告以檢查設(shè)計是否滿足所有規(guī)格。

如圖 5 所示，可以看出效率不符合設(shè)計規(guī)格。

圖 5實驗報告-效率不符合規(guī)范

第四步：優(yōu)化設(shè)計

1）打開 WCA 工具，并選擇使設(shè)計滿足規(guī)范 7 的參數(shù)。

2）在這種情況下，要考慮“ron”（電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻）。選擇一個適用的“導(dǎo)通電阻”范圍。

3）選擇要進行的測量以實現(xiàn)目標函數(shù)。

4）選擇一個目標函數(shù)。在這種情況下，效率 = 80%。

5）運行分析。

圖 6 顯示了 WCA 分析設(shè)置的屏幕截圖。此外，為了方便學習，此實例中已經(jīng)提供了設(shè)置文件。要使用保存的 WCA 分析，請調(diào)用 WCA 工具，然后選擇 File > Open>efficient_improve.ai_wca。這將打開如圖 6 所示的設(shè)置。

圖6 WCA設(shè)置

6）運行列出的三個算法后，將實現(xiàn)“ron”的最佳值，如圖 7 所示。單擊圖 7 中突出顯示的導(dǎo)出參數(shù)按鈕將參數(shù)導(dǎo)出到原理圖。

圖7 WCA分析結(jié)果 (ron = 0.116 ohm)

第五步：驗證設(shè)計變更

重新運行實驗，打開實驗結(jié)果?？梢钥闯觯?guī)范7現(xiàn)在是“Pass”，這意味著效率>=80%。圖 8 是實驗結(jié)果的快照，顯示滿足所有規(guī)格。

圖8 實驗結(jié)果顯示滿足所有規(guī)格

結(jié)論

從實例中可以看出，SaberRD可通過以下方式使用Experiment Analyzer工具和 WCA 工具自動進行電路分析和優(yōu)化：

• 依次執(zhí)行各種分析。
• 根據(jù)各種規(guī)格或條件驗證設(shè)計。
• 優(yōu)化設(shè)計。
• 驗證設(shè)計更改。