演進(jìn)中的電力電子設(shè)計(jì)：安森美先進(jìn)仿真工具

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

電力電子設(shè)計(jì)是現(xiàn)代工程中的關(guān)鍵因素，它對眾多應(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、高效元器件的新時(shí)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(jìn)行概念化、設(shè)計(jì)及驗(yàn)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(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1：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，該款直觀且全面的仿真平臺，賦予工程師以前所未有的便捷性來進(jìn)行可視化、仿真設(shè)計(jì)并優(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)字化環(huán)境以測試和完善設(shè)計(jì)，從而推動了尖端技術(shù)水平的發(fā)展。PLECS模型及其準(zhǔn)確性對于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。

這款仿真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。安森美提供的超過40種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)使其在行業(yè)中處于領(lǐng)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(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）、儲能系統(tǒng)（ESS）和太陽能逆變器等關(guān)鍵系統(tǒng)，展現(xiàn)出巨大的價(jià)值。同樣地，這款工具也適用于汽車行業(yè)的車載充電機(jī)（OBC）和主驅(qū)逆變器系統(tǒng)。

圖2：在Elite仿真工具中選擇應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(gè)主要挑戰(zhàn)：

l 依賴測量設(shè)置：開關(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。

l 數(shù)據(jù)密度有限：導(dǎo)通和開關(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，這可能會影響準(zhǔn)確性。

l 典型半導(dǎo)體條件：損耗數(shù)據(jù)通常代表的是標(biāo)稱半導(dǎo)體工藝條件，可能忽視了實(shí)際應(yīng)用中的各種變化和真實(shí)場景。

l 只適用于硬開關(guān)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(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)將其應(yīng)用于軟開關(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(shí)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(xì)的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)精確仿真。SSPMG包含了半導(dǎo)體工藝過程的變化來構(gòu)建實(shí)際模型，并創(chuàng)建出適用于軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可適應(yīng)模型，從而確保在硬開關(guān)場景之外仍具有可靠性。這一水平的定制化確保了所進(jìn)行的仿真能真實(shí)反映用戶的實(shí)際工作條件，消除了基于通用數(shù)據(jù)手冊模型相關(guān)的不準(zhǔn)確性。用SSPMG設(shè)計(jì)的PLECS模型可以無縫上傳到Elite Power 仿真工具，也可以下載到獨(dú)立的PLECS中使用。

圖3：SSPMG的特點(diǎn)之一——密集損耗表

圖4：SSPMG的特點(diǎn)之一——軟開關(guān)仿真

仿真工具

該工具的核心優(yōu)勢在于其后臺運(yùn)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(zhǔn)確性而設(shè)計(jì)的元件模型，使整個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)仿真工具，更是幫助工程師為他們的應(yīng)用選擇理想元件的強(qiáng)力引導(dǎo)。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(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，其關(guān)注點(diǎn)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(guān)，可以被很容易地配置用來展示導(dǎo)通和開關(guān)轉(zhuǎn)換之間相關(guān)的損耗。PLECS模型，被稱為“熱模型”，包括導(dǎo)通損耗和開關(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)。

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(yīng)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(guān)的損耗表現(xiàn)。這款多功能3D可視化工具結(jié)合了器件導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和熱阻抗等數(shù)據(jù)。

這款仿真工具具備設(shè)計(jì)自定制散熱器模型的功能，使用戶能夠精確預(yù)測結(jié)點(diǎn)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(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，可用以比較不同器件、電路參數(shù)、冷卻設(shè)計(jì)和損耗模型的運(yùn)行情況。

圖5：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)勢在于它能夠提供數(shù)據(jù)以供進(jìn)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(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進(jìn)行深入評估并對設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

這款仿真工具和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器件領(lǐng)域。這種廣泛的應(yīng)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(shè)計(jì)中運(yùn)用仿真工具帶來了設(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。對數(shù)據(jù)手冊條件之外的情況進(jìn)行仿真尤為關(guān)鍵，因?yàn)榭梢垣@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(yīng)用精確的仿真技術(shù)，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(zhǔn)確性起著決定性作用。“糟糕的輸入必將導(dǎo)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(rèn)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(zhǔn)確的模型。

我們擁有一支全天候全球?qū)I(yè)團(tuán)隊(duì)以及用戶指南和應(yīng)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(luò)研討會和教育培訓(xùn)活動，進(jìn)一步凸顯了我們對用戶賦能和傳授知識的堅(jiān)定承諾。視頻和網(wǎng)絡(luò)研討會是引導(dǎo)用戶掌握我們仿真工具復(fù)雜功能的實(shí)用資源，它們不僅闡明操作步驟，還向用戶傳授每個(gè)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(dān)任安森美的高級研究員，專注于電力技術(shù)領(lǐng)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(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在此之前，他曾擔(dān)任Jazz半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)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(shù)的半導(dǎo)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(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位。至今，他已經(jīng)發(fā)表了超過50篇學(xué)術(shù)著作，其中包括受邀論文與講座教程，并擁有6項(xiàng)關(guān)于半導(dǎo)體器件建模與仿真的專利。

審核編輯 黃宇