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Evolving Power Electronics Design: onsemi’s Advanced Simulation Tools 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 電力電子設計是現代工程中的關(guān)鍵因素，它對眾多應用的效率、可靠性和性能產(chǎn)生深遠影響。在考慮制造工藝差異和最壞情景的同時(shí)，開(kāi)發(fā)出符合嚴格要求的電路，需要精確且精密的工具支持。 電力電子設計領(lǐng)域正在快速演進(jìn)，引領(lǐng)著(zhù)高速、高效元器件的新時(shí)代。在此演變過(guò)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進(jìn)行概念化、設計及驗證的方式。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。這些工具應用于EliteSiC系列產(chǎn)品時(shí)，能精確展現電路的實(shí)際運行行為，尤其是當EliteSiC技術(shù)在邊界條件下運行時(shí)的情況。 
圖1：Elite Power仿真工具和PLECS模型自助生成工具 這項創(chuàng )新的前沿性在于，該款直觀(guān)且全面的仿真平臺，賦予工程師以前所未有的便捷性來(lái)進(jìn)行可視化、仿真設計并優(yōu)化復雜的電力電子拓撲結構。此工具為工程師提供一個(gè)獨特的數字化環(huán)境以測試和完善設計，從而推動(dòng)了尖端技術(shù)水平的發(fā)展。PLECS模型及其準確性對于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撲結構，其中包括AC-DC、DC-DC和DC-AC變換器等。安森美提供的超過(guò)40種拓撲結構選項使其在行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，為工程師們提供了豐富的資源庫來(lái)探索和優(yōu)化他們的設計。在工業(yè)應用領(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（ESS）和太陽(yáng)能逆變器等關(guān)鍵系統，展現出巨大的價(jià)值。同樣地，這款工具也適用于汽車(chē)行業(yè)的車(chē)載充電機（OBC）和主驅逆變器系統。
圖2：在Elite仿真工具中選擇應用和拓撲結構 挑戰 行業(yè)中過(guò)去主要采用以制造商數據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： 依賴(lài)測量設置：開(kāi)關(guān)損耗數據受到特定應用布局和電路寄生參數的影響，導致數據存在變化和不準確性。 數據密度有限：導通和開(kāi)關(guān)損耗數據通常不夠密集，阻礙了在PLECS中進(jìn)行精確插值計算，往往需要外推計算，這可能會(huì )影響準確性。 典型半導體條件：損耗數據通常代表的是標稱(chēng)半導體工藝條件，可能忽視了實(shí)際應用中的各種變化和真實(shí)場(chǎng)景。 只適用于硬開(kāi)關(guān)情況：源自數據手冊生成的雙脈沖損耗數據所建立的模型僅適用于硬開(kāi)關(guān)拓撲結構。當將其應用于軟開(kāi)關(guān)拓撲結構或同步整流仿真時(shí)，這些模型的準確性會(huì )大大降低。 安森美通過(guò)引入PLECS模型自助生成工具(SSPMG)，解決了采用傳統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(wú)源元件對能量損耗的影響，提供了更密集、更詳細的數據以實(shí)現精確仿真。SSPMG包含了半導體工藝過(guò)程的變化來(lái)構建實(shí)際模型，并創(chuàng )建出適用于軟開(kāi)關(guān)拓撲結構的可適應模型，從而確保在硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)景之外仍具有可靠性。這一水平的定制化確保了所進(jìn)行的仿真能真實(shí)反映用戶(hù)的實(shí)際工作條件，消除了基于通用數據手冊模型相關(guān)的不準確性。用SSPMG設計的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(kāi)關(guān)仿真 仿真工具 該工具的核心優(yōu)勢在于其后臺運行的系統級仿真工具PLECS。PLECS是一款系統級仿真工具，它采用專(zhuān)為速度和準確性而設計的元件模型，使整個(gè)系統的建模和仿真變得更為簡(jiǎn)便。這款工具結合了易于使用的基于網(wǎng)頁(yè)的環(huán)境，在設計過(guò)程中賦予工程師出類(lèi)拔萃的優(yōu)勢。 這款工具的意義不僅體現在其仿真能力上。它不僅僅是一個(gè)仿真工具，更是幫助工程師為他們的應用選擇理想元件的強力引導。該工具支持安森美豐富的產(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(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，可以被很容易地配置用來(lái)展示導通和開(kāi)關(guān)轉換之間相關(guān)的損耗。PLECS模型，被稱(chēng)為“熱模型”，包括導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的查找表，以及采用Cauer或Foster等效網(wǎng)絡(luò )形式的熱鏈結構。 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(hù)能夠精確仿真其應用環(huán)境。這種能力在行業(yè)內是超前的。 這款仿真工具具備直觀(guān)的損耗和熱數據繪圖功能，使工程師能夠可視化所選開(kāi)關(guān)的損耗表現。這款多功能3D可視化工具結合了器件導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和熱阻抗等數據。 這款仿真工具具備設計自定制散熱器模型的功能，使用戶(hù)能夠精確預測結點(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地提供瞬態(tài)和穩態(tài)條件下的諸如損耗、效率和節點(diǎn)溫度等各種參數的詳情。此外，該工具還具有一個(gè)快捷機制，可用以比較不同器件、電路參數、冷卻設計和損耗模型的運行情況。
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據以供進(jìn)一步分析。用戶(hù)可以下載包括瞬態(tài)波形范圍數據在內的以CSV格式展示的綜合數據集，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進(jìn)行深入評估并對設計進(jìn)行微調以實(shí)現最佳性能。 這款仿真工具和SSPMG可適用多種半導體技術(shù)。雖然最初側重于碳化硅產(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，并根據各自的具體需求定制仿真方案。 精確度 在虛擬原型設計中運用仿真工具帶來(lái)了設計流程的重大變革。如今，工程師和設計人員能夠在量產(chǎn)之前就理解這些電子電路的性能表現，從而首次就能達到理想性能。在仿真復雜電子電路時(shí)，精確度是一個(gè)至關(guān)重要的因素。對數據手冊條件之外的情況進(jìn)行仿真尤為關(guān)鍵，因為可以獲得通常難以通過(guò)物理測試獲得的大量數據。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(guò)應用精確的仿真技術(shù)，可以避免低估或高估系統性能。然而，在此過(guò)程中，模型的準確性起著(zhù)決定性作用�！霸愀獾妮斎氡貙е略愀獾妮敵觥边@一經(jīng)典法則同樣適用于此場(chǎng)景。安森美認同這一理念，并不遺余力地確保無(wú)論是在SPICE還是PLECS級別上都能提供準確的模型。 我們擁有一支全天候全球專(zhuān)業(yè)團隊以及用戶(hù)指南和應用筆記等龐大文檔庫，我們確保用戶(hù)擁有取得成功的必要資源。我們持續參加行業(yè)會(huì )議、網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )和教育培訓活動(dòng)，進(jìn)一步凸顯了我們對用戶(hù)賦能和傳授知識的堅定承諾。視頻和網(wǎng)絡(luò )研討會(huì )是引導用戶(hù)掌握我們仿真工具復雜功能的實(shí)用資源，它們不僅闡明操作步驟，還向用戶(hù)傳授每個(gè)動(dòng)作背后的含義，確保用戶(hù)獲得全面深入的理解。 作者簡(jiǎn)介 James Victory目前擔任安森美的高級研究員，專(zhuān)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(zhuān)攻射頻模擬及電力技術(shù)的設計實(shí)現。在此之前，他曾擔任Jazz半導體公司設計執行總監。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(zhuān)注于射頻模擬和電力技術(shù)的半導體器件建模。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(guò)50篇學(xué)術(shù)著(zhù)作，其中包括受邀論文與講座教程，并擁有6項關(guān)于半導體器件建模與仿真的專(zhuān)利。 |
