Leistungselektronik-Schaltungsentwicklung mit MATLAB und Simscape Electrical
Simscape Electrical ermöglicht es Ingenieuren, Schaltungstopologien zu erkunden, Komponenten zu dimensionieren und gezielte Vergleichsstudien durchzuführen, um wichtige Entscheidungen in den frühesten Phasen des Entwurfsprozesses zu treffen. Die Entwurfserkundung ist schnell und flexibel mit Zugriff auf herstellerdefinierte Bauteilbibliotheken, Importmöglichkeiten für Komponenten und umfangreiche Bibliotheken von Schaltungselementen, einschließlich Stromquellen, elektrischen und elektromechanischen Lasten, aktiven und passiven Bauteilen, vorgefertigten Wandlern und Regelungsvorlagen. Die direkte Integration mit MATLAB ermöglicht eine schnelle Erkundung und Eingrenzung des Entwurfsraums unter Berücksichtigung von Variablen und Randbedingungen.
Mit MATLAB und Simscape Electrical können Ingenieure, die Leistungskonverter und Wechselrichter entwickeln:
- Schaltungen simulieren mithilfe mehrerer Detaillierungsebenen für Vergleichsstudien, vorläufige Analysen und Optimierungen
- Systemanforderungen erfassen und verwalten, die eine Auswirkungs- und Abdeckungsanalyse ermöglichen
- Thermische, mechanische und frequenzbasierte Analysen durchführen
- Fehlerinjektionsstudien durchführen
- Vorgefertigte Lieferantenbauteilbibliotheken verwenden sowie Modelle in SPICE-Software co-simulieren und exportieren
Mithilfe der Simulation auf Systemebene mit Simulink konnten wir mehr Designoptionen in Betracht ziehen und Kompromisse vergleichen, sodass wir mehr Zeit in die Entwurfsphase des Projekts investieren konnten. Der Vorteil dabei war, dass wir Entwurfsfehler und Integrationsprobleme fanden, als ihre Korrektur einfacher und kostengünstiger war.
Vergleichsstudien, vorläufige Analyse und Optimierung
Simscape Electrical bietet zwei wesentliche Vorteile für die systematische Entwicklung und Vergleichsstudien von Leistungskonvertern in der frühen Phase:
- Direkte MATLAB-Integration für Skripterstellung, Designautomatisierung und Optimierung – ideal für die automatisierte Erkundung des Entwurfsraums.
- Regelung über die Simulationsdetails, von thermisch abhängigen Transistormodellen bis hin zu Verhaltensmodellen auf höherer Ebene, die die Schaltung und Regelung von Wandlern abstrahieren.
Zusammen schaffen diese Merkmale eine einheitliche Umgebung, in der Automatisierung und Modellgenauigkeit auf die Projektanforderungen abgestimmt sind.
Verwenden Sie MATLAB, um Optimierungen und Vergleichsstudien mit Simscape Electrical-Modellen durchzuführen und dabei mehrere Ziele während der Schaltungssimulationen zu berücksichtigen. Priorisieren Sie Faktoren wie Kosten, Leistungsqualität oder Bandbreite, während Sie harte Randbedingungen wie minimale Effizienz oder erforderliche Verstärkung und Phasenrand durchsetzen.
- Wenden Sie diskrete und ganzzahlige Optimierung an, um die Auswahl realer, handelsüblicher Komponenten sicherzustellen.
- Kombinieren Sie kontinuierliche und diskrete Randbedingungen, um die Schaltungsarchitektur, Bauteilwerte, Regelungsschemata und mehr zu erkunden.
- Wenden Sie lokale, globale und KI-basierte Optimierungsstrategien an und nutzen Sie die statistische Versuchsplanung (DOE), um systematisch alle relevanten Schaltungsparameter abzudecken.
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Mehrere Ebenen der Genauigkeit
Simscape Electrical bietet Komponenten auf verschiedenen Detailebenen des Modells, um spezifische Entwurfsanforderungen zu erfüllen. Treffen Sie systemweite und detaillierte Entwurfsentscheidungen innerhalb desselben Workflows.
Szenarien:
- Systemumfassende Analyse für Kosten und Effizienz ohne Regelschleifen auf niedriger Ebene
- Abstimmung des Gate-Treiberwiderstands zur Balance zwischen Effizienz und elektromagnetischen Störungen (EMI)
Genauigkeitsgrade für leistungselektronische Halbleiter:
- Detaillierte nichtlineare Schalter (SPICE-ähnlich): Erfassen Sie Ein- und Ausschalt-Dynamiken sowie Nichtlinearitäten.
- Geschaltete lineare Geräte: Ignorieren Sie detaillierte Übergangsdynamiken, um mithilfe vorab berechneter Verlusttabellen eine schnelle Erkundung von Schalteffekten zu ermöglichen und Verluste zu quantifizieren.
- Modelle mit Durchschnittswerten: Konzentrieren Sie sich auf höherstufige Systemdynamiken, einschließlich des diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM).
Mehrere Ebenen der Modellgenauigkeit gelten auch für Batterien, Motoren, integrierte Schaltungen und mehr. Die Auswahl der richtigen Genauigkeit ist entscheidend für die Entwicklung nützlicher Modelle mit verfügbaren Daten und unterstützt ein iteratives Entwerfen, selbst wenn einige Details unbekannt sind. Es beschleunigt auch die Modellerstellung, -wartung und -simulation, indem es die Komplexität abstrahiert.
Typische Strom-Spannungs-Kennlinie eines idealen Schalt-IGBT-Modells. Wenn die Gate-Emitter-Spannung die angegebene Schwellenspannung Vth überschreitet, befindet sich der IGBT im EIN-Zustand. Andernfalls befindet sich das Gerät im AUS-Zustand.
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SPICE-Netzlisten der Lieferantenbauteile und XML-Import
Simscape Electrical unterstützt die herstellerdefinierte Komponentenmodellierung auf drei Arten:
- Datenblattbasierte Modellierung: Verwenden Sie Parameter aus Hersteller-Datenblättern, um Simscape Electrical Bibliotheksblöcke zu konfigurieren, wenn vom Anbieter bereitgestellte Simulationsmodelle nicht verfügbar sind und die Datenblattwerte für die Systemanalyse ausreichend sind.
- Parameterextraktion aus der Simulation: Simulieren Sie SPICE-Modelle des Herstellers, um wichtige Parameter zu extrahieren (wie Schaltverluste, Kapazitätsprofile und thermische Eigenschaften), die Lookup-Tabellen für Verhaltensmodelle füllen. Dieser Prozess repliziert die Geräteleistung mithilfe einer integrierten Komponente aus der Simscape Electrical Bibliothek.
- SPICE-Netzlistenimport: Importieren Sie detaillierte Herstellermodelle von Geräten mithilfe von SPICE-Netzlisten, die Nichtlinearitäten und RLC-Parasiten enthalten.
Simscape Electrical enthält Komponentendaten von Infineon® und Wolfspeed und bietet Werkzeuge zur Erstellung repräsentativer Modelle für jedes diskrete Bauelement, sofern entsprechende Herstellerdaten vorliegen. Diese Fähigkeit gewährleistet eine konsistente, verifizierte Modellierung über elektrische, thermische und Regelungsbereiche hinweg.
Co-Simulation und Modell-Export
Simscape Electrical fügt sich in bestehende Hardware-Entwicklungs-Workflows ein, die häufig EDA- und Layout-Software zur Erstellung der endgültigen Entwurfsdatei umfassen. Zur Unterstützung dieser Integration bietet Simulink Co-Simulation- und Modell-Exportfunktionen, die eine Nutzung in vielen Entwurfsumgebungen ermöglichen. Nutzen Sie die Stärken verschiedener Plattformen gleichzeitig durch Co-Simulation mit Schaltungssimulationswerkzeugen wie PSpice und SIMetrix. Exportieren Sie Schaltkreis-Modelle als C- und HDL/Verilog-Code zur Verwendung in EDA-Werkzeugen, integrieren Sie diese mit SystemVerilog und ermöglichen Sie, dass in Simscape Electrical erstellte Modelle innerhalb von EDA-Umgebungen ausgeführt werden.
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Thermische und mechanische Analyse
Verpackung und Layout sind entscheidend beim Entwurf von Stromwandlern. Simscape Electrical bietet detaillierte Verlustberechnungen auf jeder Genauigkeitsebene:
- Für Transistormodelle werden sowohl Schaltverluste als auch Leitungsverluste stets berechnet.
- Bei stückweise-linearen Modellen für eine schnellere Simulation werden Verluste aus Lieferantentabellen importiert oder automatisch aus physikalisch basierten Transistormodellen generiert, einschließlich Soft-Switching-Szenarien.
- Durchschnittswerte- und Verhaltensmodelle integrieren Effizienzdiagramme, um ein genaues thermisches Verhalten und die Schaltkreiseffizienz aufrechtzuerhalten.
Simscape Electrical bietet thermische Modellierung über Cauer- und Foster-Netzwerke, die die Simulation von leitender, konvektiver und strahlender Wärmeübertragung ermöglichen. Modelle können fortgeschrittene Details wie Flüssigkeits- und Zweiphasenkühlung sowie Wärmetauscher enthalten, wodurch Schaltkreisentwickler Strategien zur Wärmeabfuhr bewerten können, während sie die Leistungsanforderungen der aktiven Kühlung berücksichtigen.
Modellieren Sie elektromechanische Komponenten wie Motoren und Magnetspulen auf verschiedenen Genauigkeitsstufen, von Lumped-Parameter-Darstellungen bis hin zu importierten, reduzierten Finite-Elemente-Modellen (ROM). Diese Modelle können detailliertes nichtlineares Verhalten integrieren, wie es bei Elektromotoren zu beobachten ist, und Effekte wie räumliche Harmonische und magnetische Sättigung erfassen. Fügen Sie bei Bedarf thermisches Verhalten hinzu, um eine umfassende Analyse über elektrische und mechanische Bereiche hinweg zu unterstützen.
Mit Simscape Electrical haben wir ein integriertes Energiesystemmodell erstellt, das elektrische und thermische Bereiche verbindet, sodass wir während unserer Missionssimulationen das Gesamtbild erhalten. Wenn wir die Motoren modellieren müssen, die die Solaranlagen drehen, haben wir auch die Möglichkeit, diese mechanischen Komponenten zu integrieren.
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Regelschleifenentwicklung
Bei der Entwicklung von Stromwandlern sind die Kompensatorschleife und das physikalische Schaltungsdesign miteinander gekoppelt und profitieren davon, gemeinsam entwickelt zu werden. Simulink ermöglicht es Ingenieuren, diese Wechselwirkung bereits in der Entwurfsphase mithilfe der Simulation auf Systemebene zu untersuchen, um sowohl klassische als auch fortschrittliche Regelungstechniken anzuwenden.
Mithilfe von Simulink können Ingenieure:
- Regelungssysteme im kontinuierlichen Zeitbereich (S) und im diskreten Zeitbereich (Z) entwerfen und bewerten
- Klassische Regelungsanforderungen wie Bandbreite, Störunterdrückung, Phasenrand und Amplitudenrand durchsetzen
- Frequenzbereichsziele mit Leistungsrandbedingungen aus dem Zeitbereich wie Überschwingen und Ansprechzeit kombinieren
Durch die Integration des Regelungsentwurfs mit der Schaltungsebene-Modellierung können Ingenieure die Regelungsleistung und Hardware-Abwägungen gleichzeitig bewerten, späte Entwurfsänderungen reduzieren und die Gesamtrobustheit des Systems verbessern.
Videos
- Feldorientierte Regelung von PMSMs mit Simulink – Videoreihe
- Entwickeln einer Regelung für DC-DC-Wandler in Simulink – Videoreihe
Fehlereinführung
Simscape Electrical-Komponenten ermöglichen die Fehler-Modellierung, -Injektion und -Analyse. Einzelne Komponenten enthalten vordefinierte Fehler, während spezielle Fehlerblöcke es den Anwendern ermöglichen, Unterbrechungen oder Kurzschlüsse an beliebiger Stelle im System einzufügen. Simulationskriterien, Benutzereingaben oder spezifische Simulationszeiten können Fehler auslösen. Da die Simulationsumgebung diese Verhaltensweisen als Fehler erkennt, werden alle Fehlerszenarien über ein spezielles Fehlerfenster verwaltet, was eine systematische und gründliche virtuelle Fehlerbewertung ermöglicht. Diese Fähigkeit ist skalierbar, um bei Bedarf eine virtuelle Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) zu unterstützen.
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Frequenzbasierte Analyse
Simscape Electrical unterstützt sowohl frequenzbasierte Analysen als auch Simulationen im Zeitbereich. Diese Fähigkeit ist wesentlich für die Untersuchung der Netzqualität, des Eingangswiderstands, der Störunterdrückung und der Entwicklung der Regelungsschleife. Beim Einsatz vorgefertigter Umrichterblöcke aus der Simscape Electrical-Bibliothek stehen analytische Frequenzantworten und Übertragungsfunktionen unmittelbar zur Verfügung, da Durchschnittswertmodelle abgeleitet und in das Modell integriert werden. Für benutzerdefinierte Topologien mit Diskontinuitäten, bei denen Durchschnittswerte-Modelle nicht möglich sind, stehen in Simulink Control Design Werkzeuge zur Frequenzgangidentifikation zur Verfügung. Dies eliminiert die Notwendigkeit für manuelle Kleinsignalanalysen oder die Ableitung von Durchschnittswertmodellen. Integrieren Sie Frequenzgangdaten mit Regelungs- und Optimierungsalgorithmen oder verwenden Sie sie mit Systemidentifikationswerkzeugen, um Zeitbereichs-Modelle reduzierter Ordnung zu erzeugen. Es ist keine manuelle mathematische Analyse erforderlich.
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Rückverfolgbarkeit der Anforderungen
MATLAB und Simulink bieten eine umfassende Umgebung für die Rückverfolgbarkeit von Anforderungen innerhalb strukturierter Hardware-Entwicklungs-Workflows, die darauf ausgelegt sind, funktionale Sicherheitsstandards wie ISO 26262 und IEC 61508 einzuhalten. Etablieren Sie einen Digital Thread, der textbasierte Anforderungen direkt mit Schaltkreis-Modellen, Simulationen und Testergebnissen mittels Simulink Requirements, Simulink Test und Simscape Electrical verbindet.
Bevor wir mithilfe der Requirements Toolbox arbeiteten, wussten wir erst in der Phase des Hardwaretests, ob eine Anforderung falsch war. Indem wir die Anforderungen mit dem Modell verknüpfen, verstehen wir, wie jede Anforderung umgesetzt wird und welche Beziehungen zwischen ihnen bestehen.
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Ressourcen und Support
Dokumentation
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