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传统模型 vs PLECS模型:哪个更适合电力电子设计仿真?

05/30 10:00
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仿真已成为当今设计流程中不可或缺的基础工具,能够在原型构建之前对设计方案中选择的器件、拓扑及其他关键方面进行验证。由此不仅节省了时间,还避免了许多设计风险,使首个原型更有可能达到预期性能。为了达到最新设计所需的性能和功率密度,开发者必须尽可能提高精确度,因而仿真变得至关重要。

仿真中面临的挑战

仿真的精确度受限于其基础模型的准确性。即使是通过高质量的产品手册来推导模型也存在一定风险,因为在产品手册中,导通损耗、能量损耗和热阻抗等器件特性参数都是实验室条件下的测量结果。

此外,基于产品手册的模型所反映的是制造商的实验室配置和环境,无法代表实际实施中可能遇到的各种状况。对于某些方面而言尤为如此,例如因当前设计方案的物理布局而造成的寄生元素(当然,这可能只是寄生元素形成的部分原因)。

如果无法准确表示寄生元素及任何其他特定于设计的属性,仿真的可信度将大打折扣,其结果的不准确度可能高达 30%。为此,有必要提供一种工具,支持在所定义的环境下基于特定应用进行仿真,不必再依赖于一般的“制造商实验室”模型。

推动仿真范式转变

安森美 (onsemi) 的 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 实现了上述目标,设计人员可在其中输入与设计环境相关的特定设计寄生信息,自定义 PLECS 模型,从而获得准确的仿真结果。

图 1:PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG)

电力电子行业已经意识到基于产品手册的模型与实际情况存在明显差异,也愈发认识到根据个案需求来调整仿真的潜在优势。SSPMG 正在推动行业范式进行转变,这是一款能够反映真实情况的仿真工具,可显著提高仿真准确度,为您提供切实可行的结果。这款工具的核心是高度准确、基于物理的可扩展 SPICE 模型方法。

图 2:SSPMG – 引领行业的功能

开关软开关

典型工业系统级仿真工具采用的 PLECS 模型仅对硬开关有效,对软开关应用的仿真则非常不准确。安森美推出的全新 PLECS 模型引领了技术发展,既适用于硬开关也适用于软开关应用,例如 DC-DC LLC 和 CLLC 谐振、双有源桥和相移全桥。

创新的SSPMG仿真工具还支持设计人员根据电气偏置和温度条件,添加自定义的数据密集参数表。这有助于确保表内数据点之间的插值准确,由此几乎消除了外推需求(外推是造成系统仿真误差的另一个主要来源)。

自定义应用寄生参数

根据用户指定的应用电路寄生参数进行调整,可显著影响导通损耗和开关损耗

数据密集的参数表

根据用户指定的电气偏置和温度条件调整导通损耗和开关损耗数据。用户可创建数据密集的参数表,以确保系统仿真中插值准确并避免不准确的外推。

边界模型

我们的边界模型可在产品的典型条件和边界条件下发挥效用,使用户能够跟踪在较差、标称和较佳制造条件下的导通损耗和开关损耗,进一步掌握应用性能表现。

创新的SSPMG仿真工具还支持设计人员根据电气偏置和温度条件,添加自定义的数据密集参数表。这有助于确保表内数据点之间的插值准确,由此几乎消除了外推需求(外推是造成系统仿真误差的另一个主要来源)。

图 3:SSPMG 采用数据密集的损耗参数表

半导体制造的整个过程中必须考虑到电力电子设计的要求。为此,SSPMG 工具中提供了代表电子产品不同制造条件的“边界模型”,其中,阈值电压、RDSon、击穿电压电容等参数会根据制造工厂的制造工艺做出一些调整。在系统层面捕获相关的参数差异并进行建模非常重要,因为这些参数差异会显著影响能量损耗、导通损耗和温度行为。

在电力电子设计中,设计人员必须区分软开关和硬开关。对于硬开关而言,双脉冲测试 (DPT) 是一种众所周知且较为可靠的损耗计算方法。然而,软开关依赖于拓扑和工作模式,导致 DPT 生成的结果不准确,因此 DPT 对软开关并不适用。

图 4:双脉冲测试仪基本原理图

为了解决这个问题,SSPMG 使用全新的转换损耗测试仪来准确计算能量损耗。这种方法灵活全面,适用于一系列拓扑,包括相移全桥 (PSFB)、DC-DC LLC 和 CLLC 谐振,能够为过去常被忽视的软开关模型提高精确度。

图 5:安森美的 PLECS 模型生成工具 – 提供适合仿真软开关拓扑的模型

令人欣喜的是,安森美的 PLECS 模型对硬开关、软开关和同步整流开关都有效。

借助 SSPMG,设计人员可以使用安森美功率器件产品,信心满满地对设计和环境进行准确仿真,避免以后需要大刀阔斧地重新设计早期原型,进而能够缩短设计周期。

设计人员可以将 SSPMG 生成的自定义 PLECS 模型直接放入仿真环境中,也可以将模型上传至安森美免费的 Elite Power 仿真工具进行评估。这两个工具最近都扩大了支持范围,现已能够支持场截止第 7 代 (FS7) IGBT 产品。

通过提供业界领先的 PLECS 模型自助生成工具和各种 EliteSiC 解决方案与 IGBT 产品组合,安森美重新定义了工程师如何构思、设计和验证电源系统。

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安森美

安森美

历史安森美半导体前身是摩托罗拉集团的半导体元件部门,于1999年独立上市,继续生产摩托罗拉的分立晶体管,标准模拟和标准逻辑等器件。并购纪录2000年四月,完成收购Cherry Semiconductor。2006年,完成收购位于美国俄勒冈州Gresham的LSI Logic设计和制造设施。2008年一月,以184M美元完成收购美国模拟器件公司的稳压及热管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部门。2008年三月,以915M美元完成收购AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收购Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收购PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收购California Micro Devices。2010年六月,完成收购Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收购日本三洋电机的子公司三洋半导体(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收购赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的CMOS图像传感器业务部门。2014年五月,完成收购Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半导体和富士通半导体宣布战略合作(包括晶圆代工服务协议,及日本会津若松市富士通的8吋晶圆厂的10%权益。)2014年八月,以4亿美元完成收购总部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半导体完成收购Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥资24亿美元现金收购飞兆半导体公司。2016年八月,安森美半导体宣布已就出售点火IGBT业务给 Littelfuse 达成协议,出售其瞬态电压抑制二极管和开关型晶闸管产品线,售价共1.04亿美元现金。2016年九月,安森美半导体完成收购飞兆半导体公司。产品安森美半导体制造以下的各种产品:定制:ASIC;定制代工服务;定制ULP存储器;定制CMOS图像传感器;集成无源器件分立:双极晶体管;二极管和整流器;IGBT和FET;晶闸管;可调谐组件电源管理:AC-DC控制器和稳压器;DC-DC控制器、转换器和稳压器;热管理;驱动器;电压和电流管理逻辑:时钟产生;时钟及数据分配;存储器;微控制器;标准逻辑信号管理:放大器和比较器;模拟开关;音频/视频的ASSP;数字电位计;EMI/RFI滤波器;接口;光电、图像及触摸传感器产品部安森美半导体的各个产品部门:模拟方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高腾博),执行副总裁兼总经理图像传感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高级副总裁兼总经理电源方案部(PSG) – Bill Hall(贺彦彬),执行副总裁兼总经理解决方案工程中心日本:大阪; 东京中国:上海德国:慕尼黑中国台湾:台北美国:加州圣荷西; 俄勒冈州波特兰; 底特律韩国:首尔设计中心美国:亚利桑那州凤凰城(Phoenix)、亚利桑那州钱德勒(Chandler)、得州奥斯汀(Austin)、得州普莱诺(Plano)、罗德岛州东格林尼治(East Greenwich)、科罗拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、爱达荷州波卡特洛(Pocatello)、宾夕法尼亚州Lower Gwynedd、犹他州林顿(Lindon)、爱达荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯灵顿(Burlington), 滑铁卢(Waterloo)比利时:梅赫伦(Mechelen),奥德纳尔德(Oudenaarde),菲尔福尔德(Vilvoorde)法国:图卢兹(Toulouse)德国:慕尼黑罗马尼亚:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉发(Bratislava)爱尔兰:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布尔诺(Brno)韩国:首尔中国台湾:台北印度:班加罗尔(Bangalore),诺伊达(Noida)日本:岐阜市,群马菲律宾:德拉克市(Tarlac City)制造工厂美国:亚利桑那州凤凰城、亚利桑那州钱德勒、俄勒冈州Gresham、爱达荷州波卡特洛、爱达荷州楠帕、缅因州南波特兰加拿大:伯灵顿 (安大略省)比利时:奥德纳尔德捷克:Roznov中国:乐山、深圳、苏州日本:群马县、埼玉县羽生市、新潟县新潟市韩国:富川菲律宾:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿雾市马来西亚:森美兰州芙蓉市越南:边和市、顺安市社

历史安森美半导体前身是摩托罗拉集团的半导体元件部门,于1999年独立上市,继续生产摩托罗拉的分立晶体管,标准模拟和标准逻辑等器件。并购纪录2000年四月,完成收购Cherry Semiconductor。2006年,完成收购位于美国俄勒冈州Gresham的LSI Logic设计和制造设施。2008年一月,以184M美元完成收购美国模拟器件公司的稳压及热管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部门。2008年三月,以915M美元完成收购AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收购Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收购PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收购California Micro Devices。2010年六月,完成收购Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收购日本三洋电机的子公司三洋半导体(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收购赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的CMOS图像传感器业务部门。2014年五月,完成收购Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半导体和富士通半导体宣布战略合作(包括晶圆代工服务协议,及日本会津若松市富士通的8吋晶圆厂的10%权益。)2014年八月,以4亿美元完成收购总部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半导体完成收购Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥资24亿美元现金收购飞兆半导体公司。2016年八月,安森美半导体宣布已就出售点火IGBT业务给 Littelfuse 达成协议,出售其瞬态电压抑制二极管和开关型晶闸管产品线,售价共1.04亿美元现金。2016年九月,安森美半导体完成收购飞兆半导体公司。产品安森美半导体制造以下的各种产品:定制:ASIC;定制代工服务;定制ULP存储器;定制CMOS图像传感器;集成无源器件分立:双极晶体管;二极管和整流器;IGBT和FET;晶闸管;可调谐组件电源管理:AC-DC控制器和稳压器;DC-DC控制器、转换器和稳压器;热管理;驱动器;电压和电流管理逻辑:时钟产生;时钟及数据分配;存储器;微控制器;标准逻辑信号管理:放大器和比较器;模拟开关;音频/视频的ASSP;数字电位计;EMI/RFI滤波器;接口;光电、图像及触摸传感器产品部安森美半导体的各个产品部门:模拟方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高腾博),执行副总裁兼总经理图像传感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高级副总裁兼总经理电源方案部(PSG) – Bill Hall(贺彦彬),执行副总裁兼总经理解决方案工程中心日本:大阪; 东京中国:上海德国:慕尼黑中国台湾:台北美国:加州圣荷西; 俄勒冈州波特兰; 底特律韩国:首尔设计中心美国:亚利桑那州凤凰城(Phoenix)、亚利桑那州钱德勒(Chandler)、得州奥斯汀(Austin)、得州普莱诺(Plano)、罗德岛州东格林尼治(East Greenwich)、科罗拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、爱达荷州波卡特洛(Pocatello)、宾夕法尼亚州Lower Gwynedd、犹他州林顿(Lindon)、爱达荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯灵顿(Burlington), 滑铁卢(Waterloo)比利时:梅赫伦(Mechelen),奥德纳尔德(Oudenaarde),菲尔福尔德(Vilvoorde)法国:图卢兹(Toulouse)德国:慕尼黑罗马尼亚:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉发(Bratislava)爱尔兰:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布尔诺(Brno)韩国:首尔中国台湾:台北印度:班加罗尔(Bangalore),诺伊达(Noida)日本:岐阜市,群马菲律宾:德拉克市(Tarlac City)制造工厂美国:亚利桑那州凤凰城、亚利桑那州钱德勒、俄勒冈州Gresham、爱达荷州波卡特洛、爱达荷州楠帕、缅因州南波特兰加拿大:伯灵顿 (安大略省)比利时:奥德纳尔德捷克:Roznov中国:乐山、深圳、苏州日本:群马县、埼玉县羽生市、新潟县新潟市韩国:富川菲律宾:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿雾市马来西亚:森美兰州芙蓉市越南:边和市、顺安市社收起

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