不断进化的电力电子设计：先进模拟工具

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、高效组件的新时代。在此演变过程中，安森美（onsemi）推出突破性的模拟工具，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。


图一 : 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、模拟设计，并且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环境得以测试和完善设计，进而推动了尖端技术水平的发展。PLECS模型及其准确性是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。
这款模拟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。安森美提供超过40种拓扑结构选项，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，展现出极大价值。同样地，这款工具也适用于汽车产业的车载充电机（OBC）和主驱逆变器系统。


图二 : 在Elite仿真工具中选择应用和拓扑结构

挑战
业内过去创建PLECS模型主要依赖与制造商数据手册一致的基于测量的损耗表。然而，这种方法面临几个关键挑战：
* 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。
* 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。
* 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实际情况。
* 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。

安森美透过引入PLECS模型自助生成工具（SSPMG），解决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，考虑了特定无源组件对能量损耗的影响，提供更密集、更详细的数据以实现精确仿真。
SSPMG包含半导体制程的变化来构建实际模型，并建立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。这一等级的客制化确保了所进行的仿真，能够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。


图三 : SSPMG的特点之一：密集损耗表


图四 : SSPMG的特点之一：软开关模拟

模拟工具
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组件模型，使整个系统的建模和仿真更为简便。这款工具结合了易于使用的基于网页环境，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模拟能力上。它不仅仅是一个模拟工具，更是帮助工程师为他们的应用选择理想组件的强力指引。该工具提供了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，其重点不在于电路组件的低层行为。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。

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。这种能力在业内是超前的。
这款模拟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可视化工具结合了装置导通损耗、开关损耗和热阻抗等数据。这款模拟工具具备设计客制化散热器模型的功能，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。
这款工具中的模拟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，可用以比较不同装置、电路参数、冷却设计和损耗模型的运行情况。


图五 : 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够进行深入评估并对设计进行微调以实现最佳性能。
这款模拟工具和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组件领域。这种广泛的应用能够确保工程师可以针对各种装置利用这些工具，并根据各自的具体需求客制化模拟方案。

精确度
在虚拟原型设计中运用模拟工具，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。对资料手册条件之外的情况进行模拟尤为关键，因为可以取得通常难以通过物理测试获得的大量数据。这种模拟方法有助于在虚拟环境中优化和分析电路性能。透过应用精确的模拟技术，可以避免低估或高估系统性能。
然而，在此过程中，模型的准确性具有决定性作用。「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或是PLECS等级都能提供准确的模型。

（本文作者James Victory为安森美电源方案事业群TD建模和仿真方案高级研究员）