演进中的电力电子设计：安森美先进仿真工具
发布日期:2024-04-15
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来源：安森美半导体 作者：James Victory
电力电子设计是现代工程中的关键因素，它对众多应用的效率、可靠性和性能产生深远影响。在考虑制造工艺差异和最坏情景的同时，开发出符合严格要求的电路，需要精确且精密的工具支持。
电力电子设计领域正在快速演进，引领着高速、高效元器件的新时代。在此演变过程中，安森美(onsemi)推出了突破性的仿真工具，重新定义了工程师对电力系统进行概念化、设计及验证的方式。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）使电力电子工程师能够缩短产品上市时间。这些工具应用于EliteSiC系列产品时，能精确展现电路的实际运行行为，尤其是当EliteSiC技术在边界条件下运行时的情况。
图1：Elite Power仿真工具和PLECS模型自助生成工具
这项创新的前沿性在于，该款直观且全面的仿真平台，赋予工程师以前所未有的便捷性来进行可视化、仿真设计并优化复杂的电力电子拓扑结构。此工具为工程师提供一个独特的数字化环境以测试和完善设计，从而推动了尖端技术水平的发展。PLECS模型及其准确性对于Elite Power 仿真工具有效性的关键一环。该仿真工具支持工程师上传由SSPMG生成的自定义PLECS模型。
这款仿真工具的核心在于其能够精确仿真多种电力电子拓扑结构，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC变换器等。安森美提供的超过40种拓扑结构选项使其在行业中处于领先地位，为工程师们提供了丰富的资源库来探索和优化他们的设计。在工业应用领域，安森美的Elite Power 仿真工具支持如直流快充、不间断电源（UPS）、储能系统（ESS）和太阳能逆变器等关键系统，展现出巨大的价值。同样地，这款工具也适用于汽车行业的车载充电机（OBC）和主驱逆变器系统。
图2：在Elite仿真工具中选择应用和拓扑结构
挑战
行业中过去主要采用以制造商数据手册为参考的基于测量的损耗表创建PLECS模型。然而，这种方法面临几个主要挑战：
1、依赖测量设置：开关损耗数据受到特定应用布局和电路寄生参数的影响，导致数据存在变化和不准确性。
2、数据密度有限：导通和开关损耗数据通常不够密集，阻碍了在PLECS中进行精确插值计算，往往需要外推计算，这可能会影响准确性。
3、典型半导体条件：损耗数据通常代表的是标称半导体工艺条件，可能忽视了实际应用中的各种变化和真实场景。
4、只适用于硬开关情况：源自数据手册生成的双脉冲损耗数据所建立的模型仅适用于硬开关拓扑结构。当将其应用于软开关拓扑结构或同步整流仿真时，这些模型的准确性会大大降低。
安森美通过引入PLECS模型自助生成工具(SSPMG)，解决了采用传统的基于测量损耗表生成PLECS模型方法所面临的难题。这款工具在优化模型时考虑了特定无源元件对能量损耗的影响，提供了更密集、更详细的数据以实现精确仿真。SSPMG包含了半导体工艺过程的变化来构建实际模型，并创建出适用于软开关拓扑结构的可适应模型，从而确保在硬开关场景之外仍具有可靠性。这一水平的定制化确保了所进行的仿真能真实反映用户的实际工作条件，消除了基于通用数据手册模型相关的不准确性。用SSPMG设计的PLECS模型可以无缝上传到Elite Power 仿真工具，也可以下载到独立的PLECS中使用。
图3：SSPMG的特点之一——密集损耗表
图3：SSPMG的特点之一——密集损耗表
图4：SSPMG的特点之一——软开关仿真
仿真工具
该工具的核心优势在于其后台运行的系统级仿真工具PLECS。PLECS是一款系统级仿真工具，它采用专为速度和准确性而设计的元件模型，使整个系统的建模和仿真变得更为简便。这款工具结合了易于使用的基于网页的环境，在设计过程中赋予工程师出类拔萃的优势。
这款工具的意义不仅体现在其仿真能力上。它不仅仅是一个仿真工具，更是帮助工程师为他们的应用选择理想元件的强力引导。该工具支持安森美丰富的产品线，工程师采用该工具可以无缝浏览各种产品系列，权衡性能与成本，并做出明智的决策。
PLECS不是一个基于SPICE的电路仿真工具，其关注点不在于电路元件的低层行为。功率晶体管被视为简单的开关，可以被很容易地配置用来展示导通和开关转换之间相关的损耗。PLECS模型，被称为“热模型”，包括导通损耗和开关损耗的查找表，以及采用Cauer或Foster等效网络形式的热链结构。
Elite Power 仿真工具的主要特性
如前所述，利用SSPMG生成并上传自定义PLECS模型的功能使用户能够精确仿真其应用环境。这种能力在行业内是超前的。
这款仿真工具具备直观的损耗和热数据绘图功能，使工程师能够可视化所选开关的损耗表现。这款多功能3D可视化工具结合了器件导通损耗、开关损耗和热阻抗等数据。
这款仿真工具具备设计自定制散热器模型的功能，使用户能够精确预测结点温度，并针对其特定需求优化冷却解决方案。
这款工具中的仿真阶段能够非常详细地提供瞬态和稳态条件下的诸如损耗、效率和节点温度等各种参数的详情。此外，该工具还具有一个快捷机制，可用以比较不同器件、电路参数、冷却设计和损耗模型的运行情况。
图5：Elite Power仿真工具的特点之一——损耗绘图
这款工具的一大优势在于它能够提供数据以供进一步分析。用户可以下载包括瞬态波形范围数据在内的以CSV格式展示的综合数据集，便于用户在自己的环境中进行深入分析。该仿真工具还包含可下载的PLECS模型。这些功能使工程师能进行深入评估并对设计进行微调以实现最佳性能。
这款仿真工具和SSPMG可适用多种半导体技术。虽然最初侧重于碳化硅产品，但这两款工具将逐步拓展至其他功率器件领域。这种广泛的应用能够确保工程师可以针对各种器件利用这些工具，并根据各自的具体需求定制仿真方案。
精确度
在虚拟原型设计中运用仿真工具带来了设计流程的重大变革。如今，工程师和设计人员能够在量产之前就理解这些电子电路的性能表现，从而首次就能达到理想性能。在仿真复杂电子电路时，精确度是一个至关重要的因素。对数据手册条件之外的情况进行仿真尤为关键，因为可以获得通常难以通过物理测试获得的大量数据。这种仿真方法有助于在虚拟环境中优化和分析电路性能。通过应用精确的仿真技术，可以避免低估或高估系统性能。然而，在此过程中，模型的准确性起着决定性作用。“糟糕的输入必将导致糟糕的输出”这一经典法则同样适用于此场景。安森美认同这一理念，并不遗余力地确保无论是在SPICE还是PLECS级别上都能提供准确的模型。
我们拥有一支全天候全球专业团队以及用户指南和应用笔记等庞大文档库，我们确保用户拥有取得成功的必要资源。我们持续参加行业会议、网络研讨会和教育培训活动，进一步凸显了我们对用户赋能和传授知识的坚定承诺。视频和网络研讨会是引导用户掌握我们仿真工具复杂功能的实用资源，它们不仅阐明操作步骤，还向用户传授每个动作背后的含义，确保用户获得全面深入的理解。
作者简介
James Victory目前担任安森美的高级研究员，专注于电力技术领域的建模与仿真研发工作。2008年6月，他创立了Sentinel IC Technologies公司，专攻射频模拟及电力技术的设计实现。在此之前，他曾担任Jazz半导体公司设计执行总监。他的职业生涯始于1992年在摩托罗拉公司的工作，在那里他专注于射频模拟和电力技术的半导体器件建模。他在于1990年、1992年和1994年先后获得亚利桑那州立大学电气工程学士学位、硕士学位和博士学位。至今，他已经发表了超过50篇学术著作，其中包括受邀论文与讲座教程，并拥有6项关于半导体器件建模与仿真的专利。
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