Progettazione di circuiti per convertitori di potenza con MATLAB e Simscape Electrical

Introduzione: l'importanza della simulazione nelle fasi iniziali

Le decisioni prese nelle prime fasi della progettazione di convertitori di potenza e azionamenti per motori hanno un impatto determinante sui tempi e sui costi necessari per soddisfare i requisiti di progetto. Le scelte relative alla topologia del circuito, alla selezione dei componenti, alle strategie di controllo e alla gestione dei guasti, effettuate prima della realizzazione dell’hardware, influenzeranno costi, prestazioni e rischio di riprogettazione dell’intero progetto.

La simulazione digitale offre agli ingegneri gli strumenti necessari per prendere queste decisioni, ponendo al contempo le basi per una progettazione efficace nelle prime fasi di sviluppo di convertitori di potenza e azionamenti per motori.

Questo white paper condivide insight su come MATLAB^®, Simulink^® e Simscape Electrical™ offrano l’ambiente necessario per supportare le decisioni nelle prime fasi di progettazione. Ogni sezione affronta una specifica sfida della progettazione hardware nelle fasi iniziali e mostra come un’analisi basata sulla simulazione contribuisca a ridurre i rischi prima della realizzazione del primo prototipo.

Riduzione dei rischi nella progettazione iniziale per convertitori di potenza e azionamenti per motori

Nelle fasi iniziali della progettazione di circuiti per dispositivi basati sull’elettronica di potenza, come convertitori di potenza e azionamenti per motori, i team di progettazione devono disporre di strumenti software in grado di offrire diverse funzionalità per esplorare e valutare le possibili soluzioni progettuali. È necessario poter modificare rapidamente i concetti iniziali, individuare gli errori prima dei test sull’hardware, valutare i compromessi tra costi e prestazioni ed esaminare il circuito all’interno di un sistema realistico. Una progettazione nelle fasi iniziali supportata da software con queste funzionalità consente di ridurre il numero di iterazioni e di evitare ritardi costosi quando il progetto passa alla fase di implementazione hardware.

La progettazione di simulazioni multidominio basate su modelli consente agli ingegneri di prendere decisioni ottimali e informate nelle prime fasi del processo di progettazione del convertitore di potenza e del motore. Combinando le feature di simulazione, analisi e progettazione in un unico ambiente, questo approccio consente agli ingegneri di esplorare sistematicamente l'intero spazio di progettazione. Gli ingegneri possono eseguire studi comparativi per valutare requisiti molteplici e spesso in contrasto tra loro, come la progettazione dei circuiti di controllo, la risposta dinamica, gli effetti termici, la qualità dell’alimentazione, la scelta dei componenti e l’analisi dei guasti, tutto all’interno di un’unica piattaforma.

Con l'assistenza per più livelli di fedeltà del modello e capacità di cosimulazione, Simscape Electrical si integra nei workflow esistenti, offrendo un approccio più completo rispetto ai tradizionali strumenti EDA o ai soli simulatori di circuiti. Gli ingegneri possono valutare diverse opzioni di topologia e architettura, dimensionare i componenti ed eseguire studi comparativi mirati per supportare le decisioni strategiche già nelle prime fasi del progetto. Librerie definite dai fornitori, gli strumenti di importazione e un’ampia raccolta di elementi circuitali, carichi, convertitori preconfigurati e modelli di controllo rendono l’esplorazione iniziale del progetto rapida e flessibile. L'integrazione diretta con MATLAB consente un'esplorazione rapida e una restrizione dello spazio di progettazione, tenendo conto di un'ampia gamma di variabili e vincoli.

I principali fattori prestazionali, come la qualità dell’alimentazione, la dissipazione del calore, l’efficienza del sistema e le prestazioni meccaniche (inclusa la dinamica del motore), possono essere analizzati in un ambiente unificato, con funzionalità per il monitoraggio dei requisiti e l’iniezione dei guasti. Questo approccio integrato consente di acquisire un elevato livello di sicurezza e affidabilità prima di passare alla progettazione di dettaglio.

Come Simscape Electrical migliora il processo di progettazione

Simscape Electrical affronta diverse sfide della progettazione nelle fasi iniziali attraverso un insieme integrato di funzionalità, tra cui:

• Studi comparativi, analisi preliminare e ottimizzazione
• Molteplici livelli di fedeltà
• Analisi termica e meccanica
• Iniezione di guasti
• Analisi basata sulla frequenza
• Librerie di componenti dei fornitori
• Progettazione del loop di controllo
• Tracciabilità dei requisiti
• Co-simulazione ed esportazione del modello

Studi comparativi, analisi preliminare e ottimizzazione

Simscape Electrical offre due vantaggi fondamentali per la progettazione sistematica dei convertitori e per gli studi comparativi nelle fasi iniziali del progetto. Innanzitutto, l’integrazione diretta con MATLAB consente l'accesso a strumenti di scripting, progettazione e ottimizzazione per l'esplorazione automatizzata dello spazio di progettazione. In secondo luogo, gli ingegneri possono controllare il livello di dettaglio della simulazione, passando dall’utilizzo di transistor con comportamento dipendente dalla temperatura fino all’astrazione dei convertitori tramite modelli comportamentali di alto livello. Insieme, queste funzionalità creano un ambiente unificato in cui il livello di automazione e la fedeltà dei modelli possono essere adattati alle esigenze specifiche di ogni progetto. 

Le attività di ottimizzazione e gli studi comparativi basati su MATLAB sfruttano i modelli Simscape Electrical per analizzare simultaneamente molteplici obiettivi e requisiti di progetto. Gli obiettivi, come il costo, la qualità dell’alimentazione o la larghezza di banda, possono essere prioritizzati e pesati in base all’importanza, mentre i vincoli rigidi (come l’efficienza minima richiesta o il necessario margine di guadagno/fase) vengono applicati automaticamente. Questi vincoli sono personalizzabili e possono essere analizzati singolarmente o nel loro insieme per comprenderne l’impatto sulla progettazione del convertitore.

Un vantaggio tecnico chiave per questo tipo di analisi è l'assistenza per l'ottimizzazione discreta e basata su numeri interi, nonché per le tecniche di Machine Learning. Questo consente di selezionare componenti reali disponibili sul mercato (ad esempio, scegliere un resistore standard da 1000 ohm invece di un valore poco pratico come 1004,2 ohm), garantendo che il progetto finale sia sia ottimizzato sia realizzabile in produzione. Vincoli e obiettivi di ottimizzazione, sia continui sia discreti, possono essere utilizzati per automatizzare l’esplorazione di architetture, valori dei componenti, strategie di controllo e altri aspetti della progettazione. MATLAB supporta l’ottimizzazione locale, globale e basata sull’intelligenza artificiale e offre strumenti per generare piani di esperimenti (Design of Experiments) che consentono di esplorare sistematicamente lo spazio di progettazione.

Ampie raccolte di modelli comportamentali, progetti di esempio e modelli di controllo accelerano la creazione di modelli esplorativi, eliminando i dettagli non necessari per facilitare analisi e confronti significativi nelle prime fasi della progettazione. Questo approccio consente di prendere decisioni progettuali di alta qualità, tenendo conto dell’insieme completo dei requisiti di sistema e aumentando la probabilità di successo del progetto. È importante sottolineare che gli stessi metodi possono essere applicati anche a progetti più maturi, per attività di ottimizzazione fine e ulteriori miglioramenti delle prestazioni.

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Molteplici livelli di fedeltà: semplificazione della creazione e della manutenzione dei modelli

Le capacità di modellazione flessibile di Simscape Electrical consentono agli ingegneri di affrontare criteri di progettazione specifici, astraendo al contempo i dettagli non necessari. Questa flessibilità personalizzabile dall'utente significa che sia le decisioni a livello di sistema sia quelle di progettazione dettagliata possono essere prese all'interno dello stesso workflow. Ad esempio, è possibile analizzare un sistema di distribuzione dell’energia valutandone costi ed efficienza senza modellare i circuiti di controllo a basso livello, oppure valutare la resistenza del gate drive per studiare il compromesso tra efficienza e interferenze elettromagnetiche (EMI). Le librerie di Simscape Electrical includono modelli preconfigurati con diversi livelli di fedeltà, oltre a numerosi esempi e modelli di riferimento che consentono di creare rapidamente simulazioni adattate alle specifiche esigenze del progetto.

Alla base, Simscape Electrical offre una scalabilità che va dai modelli dettagliati dei transistor, con parametri dipendenti dalla temperatura e complesse non linearità, fino a modelli comportamentali di alto livello in grado di astrarre persino il circuito di controllo di un convertitore. I livelli di fedeltà più comuni includono:

• Interruttori non lineari dettagliati (modelli simili a SPICE)
• Dispositivi lineari commutati (conservando gli effetti di commutazione e le perdite, ma ignorando la dinamica di accensione)
• Modelli medi (concentrandosi sulle dinamiche di sistema di ordine superiore, inclusa la modalità discontinua)

Questo approccio si applica non solo ai transistor, ma anche alle batterie, ai motori, ai circuiti integrati e altro ancora. La possibilità di selezionare il livello di fedeltà più appropriato è fondamentale per creare modelli efficaci a partire dai dati disponibili e supportare la progettazione iterativa anche quando alcuni dettagli non sono ancora noti. Semplifica inoltre la creazione, la manutenzione e la simulazione dei modelli astraendo la complessità non necessaria.

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Analisi termica e meccanica: valutazione delle perdite e delle strategie di raffreddamento

Il packaging e il layout rappresentano aspetti fondamentali nella progettazione dei convertitori. Simscape Electrical fornisce calcoli dettagliati delle perdite a ogni livello di fedeltà del modello. Per i modelli tradizionali dei transistor, vengono sempre calcolate sia le perdite di commutazione sia quelle di conduzione. Quando si utilizzano modelli lineari a tratti per velocizzare la simulazione, le perdite possono essere definite tramite tabelle fornite dai produttori oppure generate automaticamente da Simscape a partire da modelli dettagliati degli interruttori, includendo anche scenari di commutazione morbida (soft-switching). I modelli medi e comportamentali possono incorporare mappe di efficienza per garantire un comportamento termico accurato e l'efficienza del circuito.

Sebbene la comprensione delle perdite termiche e dell’efficienza sia essenziale, spesso è necessaria una visione completa del sistema per garantire un’efficace dissipazione del calore. Simscape Electrical supporta gli approcci tradizionali di modellazione termica, come le reti di Cauer e Foster, consentendo la simulazione del trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento all’interno del dominio termico. Questi modelli possono includere dettagli avanzati come il raffreddamento a liquido e a due fasi, oltre agli scambiatori di calore, consentendo ai progettisti di valutare le strategie di dissipazione termica tenendo conto anche dei requisiti energetici aggiuntivi dei sistemi di raffreddamento attivi.

I componenti meccanici, come motori e solenoidi, possono essere modellati anche a diversi livelli di fedeltà. Questi spaziano da semplici modelli a parametri concentrati fino a modelli dettagliati e non lineari importati da strumenti FEA, in grado di rappresentare effetti come le armoniche spaziali e la saturazione. Il comportamento termico può essere incluso quando necessario, supportando un’analisi completa sia degli aspetti elettrici sia di quelli meccanici.

Iniezione dei guasti integrata e proattiva

Simscape Electrical dispone di feature integrate per la modellazione, l'iniezione e l'analisi dei guasti. I singoli componenti includono guasti predefiniti, mentre appositi blocchi per i guasti consentono agli utenti di introdurre circuiti aperti o cortocircuiti in qualsiasi punto del sistema. I guasti possono essere attivati in base a criteri di simulazione, input dell’utente o specifici istanti temporali della simulazione. Poiché l'ambiente di simulazione riconosce questi comportamenti come guasti, tutti gli scenari di guasto sono gestiti tramite una finestra dedicata ai guasti, consentendo una valutazione virtuale dei guasti sistematica e approfondita. Questa funzionalità può essere estesa per supportare, quando necessario, un’analisi virtuale dei modi e degli effetti dei guasti (FMEA).

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Analisi basata sulla frequenza per le prestazioni elettriche e le caratteristiche del sistema di controllo

Simscape Electrical supporta l’analisi basata sulla frequenza in combinazione con la simulazione nel dominio del tempo, fondamentale per lo studio della qualità dell’alimentazione, dell’impedenza di input, della reiezione del rumore e della progettazione dei circuiti di controllo. Quando si utilizzano blocchi di convertitori predefiniti della libreria Simscape Electrical, le risposte in frequenza analitiche e le funzioni di trasferimento sono immediatamente disponibili, poiché i modelli medi vengono derivati e integrati automaticamente in background. Queste funzionalità si estendono a tutte le topologie modellate in modo personalizzato, indipendentemente dal livello di fedeltà, grazie agli strumenti integrati per l’analisi della risposta in frequenza. Questo elimina la necessità di eseguire manualmente l’analisi del piccolo segnale o la derivazione di modelli medi.

I dati relativi alla risposta in frequenza possono essere integrati con algoritmi di controllo e ottimizzazione oppure utilizzati con strumenti di identificazione del sistema per generare modelli nel dominio del tempo a ordine ridotto, senza richiedere alcuna analisi matematica manuale.

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Componenti dei fornitori: integrazione di modelli di Hitachi, Infineon, Wolfspeed e di altri fornitori

Simscape Electrical supporta la modellazione di componenti definiti dai fornitori attraverso diversi metodi di integrazione:

• Modellazione basata su schede tecniche: i parametri ricavati dai datasheet dei fornitori possono essere strutturati per configurare blocchi di componenti predefiniti quando i modelli di simulazione forniti dal produttore non sono disponibili e i valori del datasheet sono sufficienti per l’analisi a livello di sistema.
• Estrazione dei parametri dalla simulazione: i modelli SPICE forniti dai produttori possono essere simulati per estrarre parametri chiave, come le perdite di commutazione, i profili di capacità e le caratteristiche termiche, che vengono quindi utilizzati per alimentare tabelle di ricerca destinate ai modelli comportamentali.
• Importazione netlist SPICE: Simscape Electrical può importare modelli dettagliati di dispositivi forniti dai produttori utilizzando netlist SPICE che includono non linearità ed elementi parassiti.

Simscape Electrical include dati dei componenti di produttori come Hitachi, Infineon e Wolfspeed e fornisce strumenti per creare modelli rappresentativi di qualsiasi dispositivo discreto, a condizione di disporre dei dati appropriati forniti dal produttore. Questo garantisce una modellazione coerente e verificata nei domini elettrico, termico e di controllo.

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Progettazione del loop di controllo: ottimizzazione della larghezza di banda del controllo fin dalle prime fasi

Simulink consente di sviluppare strategie di controllo sia tradizionali sia avanzate, comprese tecniche come il controllo predittivo basato sul modello e gli approcci di Machine Learning. Permette di progettare e ottimizzare il sistema di controllo in parallelo, aiutando gli ingegneri a bilanciare requisiti in contrasto tra loro e a ottenere prestazioni altamente ottimizzate.

Simulink supporta la progettazione dei circuiti di controllo sia nel dominio S sia nel dominio Z, offrendo visualizzazioni standard come diagrammi di Bode, Nyquist e risposte al gradino, oltre a strumenti per l’analisi e il posizionamento di poli e zeri. I criteri di controllo tradizionali possono essere combinati con ulteriori metriche quantitative delle prestazioni, consentendo, ad esempio, di regolare un controllore per garantire stabilità e larghezza di banda, limitando al contempo il sovraelongamento della corrente durante l’avvio.

Simulink offre inoltre un’ampia gamma di strategie di controllo, dai controllori robusti e a logica fuzzy fino alle tecniche avanzate per gli azionamenti elettrici, come i phase-locked loop (PLL), le trasformazioni di Clarke e Park, il controllo Field-Oriented (FOC), il controllo diretto della coppia (DTC) e la commutazione dei motori BLDC. Per sistemi utility e connessi alla rete elettrica, Simulink offre strumenti per il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT), la gestione delle risorse degli inverter, l’analisi della stabilità basata sull’ammettenza, il grid-forming e molto altro.

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Tracciabilità dei requisiti: conformità a ISO 26262 e IEC 61508

La tracciabilità dei requisiti è fondamentale nei flussi di progettazione hardware strutturati, soprattutto nell’ambito di standard come ISO 26262 e IEC 61508, che richiedono il monitoraggio del collegamento tra requisiti e implementazione. La mancata identificazione di un requisito nelle fasi iniziali può comportare costose attività di revisione nelle fasi successive.

Simscape Electrical, integrato con la famiglia di prodotti Simulink, supporta una gestione completa dei requisiti e delle attività di verifica. Gli ingegneri possono collegare direttamente i modelli circuitali ai requisiti testuali ed eseguire test formali basati sui requisiti, supportando la conformità e la validazione rispetto alle specifiche definite.

Questo ambiente unificato consente la tracciabilità lungo tutte le fasi di modellazione, simulazione e test, collegando i requisiti agli elementi di progettazione, ai risultati delle simulazioni e alla copertura dei test. Questo approccio supporta le revisioni di progettazione, i processi di certificazione e l’analisi dell’impatto delle modifiche, garantendo una progettazione solida e conforme agli standard, dalla fase concettuale fino all’implementazione.

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Cosimulazione ed esportazione dei modelli per i test HIL

Simscape Electrical si integra nei flussi di progettazione hardware esistenti, che spesso includono strumenti EDA e di layout per la generazione dei file finali di progetto. Per supportare questa integrazione, MathWorks offre funzionalità di cosimulazione ed esportazione dei modelli, consentendo l’adozione in numerosi ambienti di progettazione.

Simscape Electrical supporta la cosimulazione con strumenti di simulazione circuitale come PSpice^® e SIMetrix, consentendo agli ingegneri di sfruttare simultaneamente i punti di forza di diverse piattaforme. Questa capacità si estende all'integrazione con motori multifisici e strumenti EDA per una modellazione ad alta fedeltà, come l'analisi FEA, quando necessario.

Per quanto riguarda l’esportazione, i modelli dell’impianto possono essere convertiti in codice C e HDL/Verilog per i test Hardware-In-the-Loop (HIL) di sistemi di potenza e convertitori. Questi modelli possono inoltre essere esportati per l’utilizzo con strumenti EDA, integrandosi con SystemVerilog e consentendo ai modelli creati in Simscape Electrical di essere eseguiti all’interno degli ambienti EDA.

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Conclusione

Ridurre i rischi nella progettazione iniziale di convertitori di potenza e azionamenti elettrici significa soprattutto avere visibilità sul comportamento del sistema e poter valutare le conseguenze delle scelte progettuali prima che diventino costose, difficili da modificare o potenzialmente rischiose. I flussi di lavoro descritti in questo documento dimostrano come un ambiente di simulazione multidominio basato su modelli aiuti gli ingegneri a esplorare un maggior numero di soluzioni, verificare prima le ipotesi progettuali e arrivare a progetti robusti con maggiore sicurezza. Con MATLAB, Simulink e Simscape Electrical, gli ingegneri possono utilizzare componenti accurati rispetto ai dispositivi dei fornitori per eseguire studi di compromesso, analisi termiche, dei guasti e meccaniche, valutazioni basate sulla frequenza e sviluppo dei circuiti di controllo.