Progettazione di circuiti di elettronica di potenza con MATLAB e Simscape Electrical
Simscape Electrical consente agli ingegneri di scoprire le topologie dei circuiti e dimensionare i componenti, oltre a condurre studi comparativi mirati per informare decisioni critiche nelle prime fasi della progettazione. L’esplorazione progettuale è rapida e flessibile grazie all’accesso a librerie di componenti definite dai produttori, funzionalità di importazione dei componenti e ampie librerie di elementi circuitali, inclusi sorgenti di potenza, carichi elettrici ed elettromeccanici, componenti attivi e passivi, convertitori preconfigurati e template di controllo. L'integrazione diretta con MATLAB consente un'esplorazione rapida e una restrizione dello spazio di progettazione, tenendo conto di variabili e vincoli.
Con MATLAB e Simscape Electrical, gli ingegneri che sviluppano convertitori di potenza e inverter possono:
- Simulare circuiti utilizzando più livelli di dettaglio per studi comparativi, analisi preliminari e ottimizzazione
- Acquisire e gestire i requisiti di sistema, consentendo analisi di impatto e di copertura
- Eseguire analisi termiche, meccaniche e basate sulla frequenza
- Condurre studi di iniezione di guasti
- Utilizzare librerie di componenti fornite dai produttori ed esegui co-simulazioni con software SPICE, oltre a esportare i modelli verso tali strumenti
L’utilizzo della simulazione a livello di sistema con Simulink ci ha permesso di valutare più opzioni progettuali e confrontarne i compromessi, consentendoci di dedicare più tempo alla fase di progettazione del progetto. Il vantaggio è stato quello di individuare errori di progettazione e problemi di integrazione quando erano ancora più semplici e meno costosi da correggere.
Studi comparativi, analisi preliminare e ottimizzazione
Simscape Electrical offre due vantaggi chiave per la progettazione sistematica dei convertitori di potenza nelle fasi iniziali e per gli studi comparativi:
- Integrazione diretta di MATLAB per scripting, automazione del design e ottimizzazione, ideale per l'esplorazione automatizzata dello spazio di progettazione.
- Controllo sul dettaglio della simulazione, dai modelli di transistor termicamente dipendenti ai modelli comportamentali di alto livello che astraggono la commutazione e il controllo del convertitore.
Insieme, queste feature creano un ambiente unificato in cui l'automazione e la fedeltà del modello sono adattate alle esigenze del progetto.
Utilizza MATLAB per eseguire ottimizzazioni e studi comparativi con modelli Simscape Electrical, affrontando più obiettivi durante le simulazioni circuitali. Dai priorità a fattori come costo, qualità della potenza o larghezza di banda, rispettando al contempo vincoli rigorosi come l’efficienza minima o i margini di guadagno e di fase richiesti.
- Applica l'ottimizzazione discreta e basata su numeri interi per garantire la selezione di componenti reali e disponibili in commercio.
- Combina vincoli continui e discreti per scoprire l'architettura del circuito, i valori dei componenti, gli schemi di controllo e altro ancora.
- Applica strategie di ottimizzazione locali, globali e basate sull’IA e sfrutta il Design of Experiments (DOE) per esplorare in modo sistematico tutti i parametri circuitali di interesse.
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Molteplici livelli di fedeltà
Simscape Electrical offre componenti a diversi livelli di dettaglio del modello per soddisfare criteri di progettazione specifici. Prendi decisioni sia a livello di sistema sia di progettazione dettagliata all’interno dello stesso workflow.
Scenari:
- Analisi a livello di sistema per costi ed efficienza senza loop di controllo a basso livello
- Sincronizzazione della resistenza di pilotaggio del gate per bilanciare efficienza e EMI
Livelli di fedeltà per semiconduttori di potenza elettronici:
- Interruttori non lineari dettagliati (tipo SPICE): dinamiche di accensione e spegnimento e non linearità.
- Dispositivi lineari commutati: trascura i dettagli delle dinamiche di commutazione per consentire un’esplorazione rapida degli effetti di switching e quantificare le perdite tramite l’uso di tabelle di perdita pre-calcolate.
- Modelli a valore medio: concentrati sulle dinamiche di sistema di ordine superiore, inclusa la modalità di conduzione discontinua (DCM).
Anche per batterie, motori, circuiti integrati e altri componenti si possono utilizzare diversi livelli di fedeltà del modello. La selezione del livello di fedeltà appropriato è fondamentale per costruire modelli utili con i dati disponibili, fornendo assistenza al design iterativo anche quando alcuni dettagli sono sconosciuti. Accelera inoltre la creazione, la manutenzione e la simulazione del modello astraendo la complessità.
Caratteristica tipica corrente-tensione di un modello ideale di IGBT commutatore. Se la tensione gate-emettitore supera la tensione di soglia specificata, Vth, l’IGBT si trova nello stato di conduzione (ON). Altrimenti, il dispositivo è nello stato OFF
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Importazione di netlist SPICE e file XML di componenti forniti dai produttori
Simscape Electrical supporta la modellazione dei componenti definiti dai produttori in tre modalità:
- Modellazione basata sulla scheda tecnica: utilizza i parametri dei datasheet dei produttori per configurare i blocchi della libreria Simscape Electrical quando i modelli di simulazione forniti dal produttore non sono disponibili e i valori del datasheet sono sufficienti per un’analisi a livello di sistema.
- Estrazione dei parametri dalla simulazione: simula i modelli SPICE dei produttori per estrarre parametri chiave — come perdite di commutazione, profili di capacità e caratteristiche termiche — da utilizzare per popolare le tabelle di lookup dei modelli comportamentali. Questo processo replica le prestazioni del dispositivo utilizzando un componente integrato della libreria Simscape Electrical.
- Importazione netlist SPICE: importa modelli dettagliati dei dispositivi forniti dai produttori utilizzando netlist SPICE che includono non linearità e parassiti RLC.
Simscape Electrical include dati di componenti di Infineon® e Wolfspeed e fornisce strumenti per creare modelli rappresentativi di qualsiasi dispositivo discreto, a partire da dati adeguati forniti dal produttore. Questa capacità garantisce una modellazione coerente e verificata nei domini elettrico, termico e di controllo.
Co-simulazione ed esportazione del modello
Simscape Electrical si integra nei workflow di progettazione hardware esistenti, che spesso includono software EDA e di layout per la generazione del file di progettazione finale. Per supportare questa integrazione, Simulink offre capacità di co-simulazione ed esportazione del modello, consentendo l'adozione in numerosi ambienti di progettazione. Sfrutta contemporaneamente i punti di forza di diverse piattaforme con la co-simulazione utilizzando strumenti di simulazione di circuiti, come PSpice e SIMetrix. Esporta i modelli di circuito come codice C e HDL/Verilog per l'uso negli strumenti EDA, integrandoli con SystemVerilog e consentendo ai modelli creati in Simscape Electrical di funzionare all'interno degli ambienti EDA.
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Analisi termica e meccanica
Il packaging e il layout sono elementi fondamentali nella progettazione dei convertitori di potenza. Simscape Electrical fornisce calcoli dettagliati delle perdite a ogni livello di fedeltà:
- Per i modelli di transistor, vengono sempre calcolate sia le perdite di commutazione che quelle di conduzione
- Con modelli lineari a tratti per simulazioni più rapide, le perdite vengono importate da tabelle fornite dai produttori oppure generate automaticamente da modelli fisici dei transistor, inclusi gli scenari di soft switching
- I modelli a valore medio e comportamentali incorporano mappe di efficienza per mantenere un comportamento termico accurato e l'efficienza del circuito
Simscape Electrical offre la modellazione termica tramite reti di Cauer e Foster, consentendo la simulazione del trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento. I modelli possono includere dettagli avanzati come il raffreddamento a liquido e bifase e gli scambiatori di calore, consentendo ai progettisti di circuiti di valutare le strategie di dissipazione del calore tenendo conto al contempo del fabbisogno energetico del raffreddamento attivo.
Modella componenti elettromeccanici come motori e solenoidi a vari livelli di fedeltà, che vanno da rappresentazioni a parametri concentrati a modelli a ordine ridotto (ROM) importati da analisi agli elementi finiti (FEA). Questi modelli possono incorporare un comportamento non lineare dettagliato, come si osserva nei motori elettrici, che cattura effetti quali armoniche spaziali e saturazione magnetica. Aggiungi il comportamento termico secondo necessità per fornire un'analisi completa nei settori elettrico e meccanico.
Con Simscape Electrical abbiamo creato un modello integrato di sistema di alimentazione che collega i domini elettrico e termico, in modo da ottenere una visione completa durante le nostre simulazioni a livello di missione. Se è necessario modellare i motori che azionano i pannelli solari, abbiamo la capacità di integrare anche tali componenti meccanici.
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Progettazione del loop di controllo
Lo sviluppo dei convertitori di potenza richiede un approccio integrato, poiché il loop del compensatore e la progettazione del circuito fisico sono accoppiati e traggono vantaggio dall’essere sviluppati insieme. Simulink consente agli ingegneri di scoprire questa interazione nelle prime fasi della progettazione utilizzando la simulazione a livello di sistema per applicare sia tecniche di controllo classiche che avanzate.
Utilizzando Simulink, gli ingegneri possono:
- Progettare e valutare sistemi di controllo nei domini del tempo continuo (S) e del tempo discreto (Z).
- Applicare i requisiti del controllo classico quali la larghezza di banda, il rifiuto delle perturbazioni, il margine di fase e il margine di guadagno.
- Combinare obiettivi nel dominio della frequenza con vincoli di prestazione nel dominio del tempo, quali sovraelongazione e tempo di risposta.
Integrando la progettazione del controllo con la modellazione a livello di circuito, gli ingegneri possono valutare contemporaneamente le prestazioni del controllo e i compromessi hardware, riducendo le modifiche progettuali nelle fasi avanzate e migliorando la robustezza complessiva del sistema.
Video
- Controllo Field-Oriented di un PMSM con Simulink – Serie di video
- Come sviluppare un sistema di controllo per un convertitore CC-CC in Simulink – Serie di video
Iniezione di guasti
I componenti di Simscape Electrical consentono la modellazione, l'iniezione e l'analisi dei guasti. I componenti individuali includono guasti predefiniti, mentre i blocchi di guasto dedicati consentono agli utenti di inserire circuiti aperti o cortocircuiti in qualsiasi punto del sistema. I criteri di simulazione, l'input dell'utente o tempi specifici di simulazione possono causare guasti. 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 capacità è scalabile e può supportare, quando necessario, l’analisi virtuale dei modi e degli effetti di guasto (FMEA).
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Analisi basata sulla frequenza
Simscape Electrical offre assistenza sia per l'analisi basata sulla frequenza sia per la simulazione nel dominio del tempo. Questa capacità è essenziale per lo studio della qualità dell'alimentazione, dell'impedenza di ingresso, del rifiuto del rumore e della progettazione del loop di controllo. Quando si utilizzano i blocchi convertitori predefiniti della libreria Simscape Electrical, le risposte in frequenza analitiche e le funzioni di trasferimento sono facilmente disponibili, poiché i modelli a valore medio sono derivati e integrati all'interno del modello. Per topologie modellate su misura contenenti discontinuità dove non sono possibili modelli a valore medio, sono disponibili strumenti di identificazione della risposta in frequenza in Simulink Control Design. Ciò elimina la necessità di un'analisi manuale del piccolo segnale o della derivazione del modello a valore medio. Integra i dati della risposta in frequenza con algoritmi di controllo e ottimizzazione oppure utilizzali con strumenti di identificazione del sistema per generare modelli ridotti nel dominio del tempo. Non è richiesta alcuna analisi matematica manuale.
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Video
- Controllo Field-Oriented di un PMSM con Simulink – Serie di video
- Come sviluppare un sistema di controllo per un convertitore CC-CC in Simulink – Serie di video
Tracciabilità dei requisiti
MATLAB e Simulink offrono un ambiente completo per la tracciabilità dei requisiti all'interno di workflow strutturati per la progettazione hardware, progettati per conformarsi agli standard di sicurezza funzionale come ISO 26262 e IEC 61508. Crea un thread digitale che colleghi direttamente i requisiti testuali ai modelli circuitali, alle simulazioni e ai risultati dei test con Simulink Requirements, Simulink Test e Simscape Electrical.
Prima di utilizzare Requirements Toolbox, non sapevamo se un requisito fosse errato fino a quando non arrivavamo alla fase di test sull’hardware. Collegando i requisiti al modello, comprendiamo come ciascun requisito viene implementato e le relazioni tra questi.
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Risorse e assistenza
Documentazione
Corsi online di controllo del motore
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