Design de circuit d’électronique de puissance avec MATLAB et Simscape Electrical
Simscape Electrical permet aux ingénieurs d'explorer les topologies de circuits, de dimensionner les composants et de réaliser des études de compromis ciblées afin d’orienter les prises de décisions critiques aux premières étapes du design. L'exploration du design est rapide et flexible grâce à l'accès aux bibliothèques de composants définies par le fabricant, aux capacités d'importation de composants, ainsi qu'à de vastes bibliothèques d'éléments de circuit, comprenant des sources d'alimentation, des charges électriques et électromécaniques, des composants actifs et passifs, des convertisseurs préconçus et des modèles de contrôle. L'intégration directe avec MATLAB permet une exploration rapide et un affinage de l'espace de design, en tenant compte des variables et des contraintes.
Avec MATLAB et Simscape Electrical, les ingénieurs qui développent des convertisseurs de puissance et des onduleurs peuvent :
- Simuler des circuits en utilisant plusieurs niveaux de détail pour les études de compromis, l'analyse préliminaire et l’optimisation
- Capturer et gérer les exigences système pour l'analyse d'impact et de couverture
- Effectuer des analyses thermiques, mécaniques et basées sur la fréquence
- Réaliser des études d’injection de défauts
- Utiliser des bibliothèques de composants préconçus par les fournisseurs et effectuer une co-simulation ainsi qu'une exportation de modèles vers le logiciel SPICE
L'utilisation de la simulation au niveau système avec Simulink nous a donné la possibilité d'envisager davantage d'options de design et de comparer les compromis ; nous avons donc passé plus de temps dans la phase de design du projet. L’avantage de cela était que nous avons détecté des erreurs de design et des problèmes d’intégration à un moment où ils étaient plus faciles et moins coûteux à corriger.
Études de compromis, analyse préliminaire et optimisation
Simscape Electrical offre deux avantages clés pour le design systématique précoce des convertisseurs de puissance et les études de compromis :
- Une intégration directe de MATLAB pour la création de scripts, l'automatisation du design et l’optimisation, idéale pour l'exploration automatisée de l'espace de design.
- Un contrôle du niveau de détail de la simulation, allant des modèles de transistors dépendant de la température aux modèles comportementaux de haut niveau qui abstraient la commutation et le contrôle du convertisseur.
Ensemble, ces fonctionnalités créent un environnement unifié où l'automatisation et la fidélité du modèle sont adaptées aux exigences du projet.
Utilisez MATLAB pour piloter l'optimisation et les études de compromis avec des modèles Simscape Electrical, en abordant plusieurs objectifs lors des simulations de circuits. Priorisez des facteurs tels que le coût, la qualité de l'alimentation ou la bande passante, tout en respectant des contraintes strictes telles que l'efficacité minimale ou la marge de gain et de phase requise.
- Appliquez l'optimisation discrète et basée sur les entiers afin de garantir la sélection de composants réels, disponibles dans le commerce.
- Combinez contraintes continues et discrètes pour explorer l'architecture des circuits, les valeurs des composants, les schémas de contrôle, et plus encore.
- Appliquez des stratégies d'optimisation locales, globales et basées sur l'IA, et exploitez le plan d'expériences (DOE) pour couvrir systématiquement tous les paramètres du circuit d'intérêt.
Sélection d’exemples
Plusieurs niveaux de fidélité
Simscape Electrical propose des composants à différents niveaux de détail de modèle afin de répondre à des critères de design spécifiques. Prenez des décisions de design au niveau système ainsi que des décisions détaillées au sein du même workflow.
Scénarios :
- Analyse au niveau système pour le coût et l'efficacité sans boucles de contrôle de bas niveau
- Réglage de la résistance de la commande de grille pour équilibrer l'efficacité et les interférences électromagnétiques (EMI)
Niveaux de fidélité pour les semi-conducteurs d’électronique de puissance :
- Commutateurs non linéaires détaillés (type SPICE) : capturer les dynamiques d'activation/désactivation et les non-linéarités.
- Dispositifs linéaires commutés : ignorer les dynamiques détaillées de transition afin de permettre une exploration rapide des effets de commutation et de quantifier les pertes, en utilisant des tableaux de pertes pré-calculées.
- Modèles à valeur moyenne : se concentrer sur la dynamique des systèmes d'ordre supérieur, y compris le mode de conduction discontinue (MCD).
Plusieurs niveaux de fidélité du modèle s'appliquent également aux batteries, moteurs, IC, et plus encore. Choisir la fidélité appropriée est essentiel pour construire des modèles utiles avec les données disponibles, en supportant un design itératif même lorsque certains détails sont inconnus. Cela accélère également la création, la maintenance et la simulation des modèles en facilitant la gestion de la complexité.
Caractéristique i-v typique d'un modèle IDE de commutation IGBT idéal. Si la tension entre la grille et l’émetteur dépasse la tension seuil spécifiée, Vth, alors l’IGBT est en état de conduction. Sinon, le dispositif est en état bloqué.
Sélection d’exemples
Importation de netlist SPICE et de XML des composants de fournisseur
Simscape Electrical supporte la modélisation des composants définis par le fabricant de trois manières :
- Modélisation basée sur les fiches techniques : utiliser les paramètres des fiches techniques du fabricant pour configurer les blocs de la bibliothèque Simscape Electrical lorsque les modèles de simulation fournis par le fournisseur ne sont pas disponibles et que les valeurs des fiches techniques sont suffisantes pour l'analyse au niveau système.
- Extraction des paramètres à partir de la simulation : simuler les modèles SPICE du fabricant pour extraire les paramètres clés, tels que les pertes de commutation, les profils de capacité et les caractéristiques thermiques, qui alimentent les lookup tables pour les modèles comportementaux. Ce processus reproduit les performances de l'équipement tout en utilisant un composant intégré de la bibliothèque Simscape Electrical.
- Importation de netlist SPICE : importer des modèles détaillés de dispositifs fabricants en utilisant des netlists SPICE incluant les non-linéarités et les parasites RLC.
Simscape Electrical inclut des données de composants d'Infineon® et Wolfspeed, et propose des outils pour construire des modèles représentatifs, pour tout dispositif discret donné, des données appropriées du fournisseur. Cette capacité garantit une modélisation cohérente et vérifiée à travers les domaines électrique, thermique et de contrôle.
Co-simulation et exportation de modèle
Simscape Electrical s’intègre parfaitement aux workflows de designs hardware existants, qui incluent souvent des logiciels EDA et de routage pour la génération des fichiers de designs finaux. Pour supporter cette intégration, Simulink propose des capacités de co-simulation et d'exportation de modèles, permettant une adoption dans de nombreux environnements de design. Exploitez les forces de différentes plateformes simultanément grâce à la co-simulation avec des outils de simulation de circuits, tels que PSpice et SIMetrix. Exportez des modèles de circuits sous forme de code C et HDL/Verilog pour une utilisation dans des outils EDA, en intégrant SystemVerilog et en permettant aux modèles créés dans Simscape Electrical de fonctionner au sein des environnements EDA.
Sélection d’exemples
Analyse thermique et mécanique
L’intégration et l’agencement sont essentiels dans le design des convertisseurs de puissance. Simscape Electrical propose des calculs détaillés des pertes à chaque niveau de fidélité :
- Pour les modèles de transistors, les pertes de commutation et de conduction sont toujours calculées.
- Avec des modèles linéaires par morceaux pour une simulation plus rapide, les pertes sont importées à partir des tableaux du fournisseur ou générées automatiquement à partir de modèles de transistors basés sur la physique, y compris les scénarios de commutation douce.
- Les modèles à valeur moyenne et comportementaux intègrent des cartes d'efficacité afin de maintenir un comportement thermique précis et une efficacité du circuit.
Simscape Electrical propose une modélisation thermique via les réseaux de Cauer et Foster, permettant la simulation des transferts de chaleur conductifs, convectifs et radiatifs. Les modèles peuvent inclure des détails avancés tels que le refroidissement liquide et biphasique ainsi que les échangeurs de chaleur, permettant aux concepteurs de circuits d’évaluer les stratégies d’extraction de chaleur tout en tenant compte des besoins énergétiques du refroidissement actif.
Modélisez les composants électromécaniques tels que les moteurs et les solénoïdes à différents niveaux de fidélité, allant des représentations par paramètres concentrés aux modèles d'ordre réduit (ROM) importés issus de l'analyse par éléments finis (FEA). Ces modèles peuvent intégrer un comportement non linéaire détaillé, comme on le constate dans les moteurs électriques, ce qui permet de prendre en compte des effets tels que les harmoniques spatiaux et la saturation magnétique. Ajoutez le comportement thermique selon les besoins pour supporter une analyse complète à travers les domaines électrique et mécanique.
Avec Simscape Electrical, nous avons créé un modèle de système d’alimentation intégré faisant le lien entre les domaines électrique et thermique, ce qui nous permet d’avoir une vue d’ensemble lors de nos simulations au niveau mission. Si nous devons modéliser les moteurs qui font tourner les panneaux solaires, nous disposons alors également de la capacité d'intégrer ces composants mécaniques.
Sélection d’exemples
Design de boucle de contrôle
Dans le développement de convertisseurs de puissance, la boucle du compensation et le design du circuit physique sont couplés et bénéficient d’un développement conjoint. Simulink permet aux ingénieurs d'explorer cette interaction dès les premières étapes du design en utilisant la simulation au niveau système pour appliquer à la fois des techniques de contrôle classiques et avancées.
En utilisant Simulink, les ingénieurs peuvent :
- Concevoir et évaluer des systèmes de contrôle dans les domaines à temps continu (S) et à temps discret (Z)
- Appliquer les exigences classiques de contrôle telles que la bande passante, le rejet des perturbations, la marge de phase et la marge de gain
- Combiner les objectifs dans le domaine fréquentiel avec des contraintes de performance dans le domaine temporel telles que le dépassement et le temps de réponse
En intégrant le design de contrôle avec la modélisation au niveau circuit, les ingénieurs peuvent évaluer simultanément les performances du contrôle et les compromis liés au hardware, réduisant ainsi les modifications tardives du design et améliorant la robustesse globale du système.
Vidéos
- Commande vectorielle de PMSM avec Simulink – Série de vidéos
- Comment développer un système de contrôle pour convertisseur DC-DC avec Simulink – Série de vidéos
Injection de défauts
Les composants Simscape Electrical permettent la modélisation, l'injection et l'analyse des défauts. Les composants individuels incluent des défauts prédéfinis, tandis que les blocs de défaut dédiés permettent aux utilisateurs d'injecter des circuits ouverts ou des courts-circuits à n'importe quel point du système. Les critères de simulation, les entrées utilisateur ou des heures de simulation spécifiques peuvent déclencher des défauts. Parce que l'environnement de simulation reconnaît ces comportements comme des défauts, tous les scénarios de défauts sont gérés via une fenêtre dédiée aux défauts, permettant une évaluation virtuelle systématique et approfondie des défauts. Cette capacité est évolutive pour supporter une analyse des modes de défaillance et de leurs effets (FMEA) virtuelle lorsque cela est nécessaire.
Sélection d’exemples
En savoir plus
- Hitachi développe une technologie de prédiction des défaillances pour les équipements de production
- Lockheed Martin simule les missions de l’engin spatial Orion en utilisant un modèle de système d'alimentation multidomaine
- ABB accélère le développement du logiciel de contrôle de son convertisseur de puissance
Analyse fréquentielle
Simscape Electrical supporte à la fois l'analyse basée sur la fréquence et la simulation dans le domaine temporel. Cette capacité est essentielle pour étudier la qualité de l'alimentation, l'impédance d'entrée, le rejet du bruit et le design de la boucle de contrôle. Lors de l'utilisation de blocs convertisseurs préconstruits de la bibliothèque Simscape Electrical, les réponses fréquentielles analytiques et les fonctions de transfert sont facilement disponibles, car des modèles à valeur moyenne sont dérivés et intégrés dans le modèle. Pour les topologies modélisées sur mesure contenant des discontinuités où les modèles à valeur moyenne ne sont pas possibles, des outils d'identification de la réponse fréquentielle sont disponibles dans Simulink Control Design. Cela élimine la nécessité d'une analyse manuelle des petits signaux ou de la dérivation d'un modèle à valeur moyenne. Intégrez les données de réponses fréquentielles avec des algorithmes de contrôle et d'optimisation ou utilisez-les avec des outils d'identification de systèmes pour générer des modèles réduits dans le domaine temporel. Aucune analyse mathématique manuelle n'est requise.
Sélection d’exemples
Vidéos
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Traçabilité des exigences
MATLAB et Simulink offrent un environnement complet pour la traçabilité des exigences au sein de workflows de design hardware structurés, conçus pour se conformer aux normes de sécurité fonctionnelle telles que ISO 26262 et IEC 61508. Établissez un fil numérique reliant directement les exigences basées sur le texte aux modèles de circuits, aux simulations et aux résultats de tests avec Simulink Requirements, Simulink Test et Simscape Electrical.
Avant d’utiliser Requirements Toolbox, nous ne pouvions pas détecter une exigence erronée avant d’atteindre l’étape des tests matériels. En reliant les exigences au modèle, nous comprenons comment chaque exigence est mise en œuvre et les relations entre elles.
Sélection d’exemples
Ressources et support
Documentation
Formations en ligne sur le contrôle moteur
