تقنيات Keysight تحاكي إلكترونيات الطاقة
في دوائر تحويل الطاقة، مثل المحولات والعاكسات وإمدادات الطاقة، زاد تردد التشغيل بشكل كبير، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى إدخال مكونات ذات فجوة نطاق واسعة مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم.
في حين أن هذا يسمح بإشارات ذات أوقات صعود وهبوط قصيرة جدًا وما يترتب على ذلك من تحسن في الكفاءة، فقد زاد أيضًا من تأثير طفيليات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الناتجة عن ارتفاع قيمة di/dt. كما زادت كثافة عدد الأجهزة الموجودة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور بسبب التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات. هذا الارتفاع في الكثافة وانخفاض المساحة المتاحة جعل الطفيليات أكثر أهمية عند تصميم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. الطفيليات الاستقرائية أو السعوية أو المقاومة كلها ممكنة.
نظرًا لأن العناصر الطفيلية يمكن أن تزيد من فقدان الطاقة، وتقلل من الكفاءة وتؤثر على استقرار المحول، فمن المهم أخذها في الاعتبار عند تصميم محول الطاقة لضمان التشغيل الفعال والموثوق.
ستناقش هذه المقالة كيفية محاكاة وتقدير قيمة الطفيليات باستخدام أداة برنامج Keysight’s PathWave Power Electronics Professional (PEPro). PEPro عبارة عن منصة محاكاة مشتركة للدائرة الكهرومغناطيسية (EM) من الجيل التالي من وضع التبديل والطاقة والتي تتنبأ بقيم الحث الطفيلي على التخطيط.
سيتم عرض ثلاثة تطبيقات مهمة أدناه حيث أسفرت المحاكاة التي قدمتها أداة PEPro عن نتائج مهمة في تقييم تأثيرات الطفيليات، مما ساهم في تقليلها من خلال التصميم التخطيطي المناسب.
العاكس من النوع T
النوع T عبارة عن عاكس متعدد المستويات يشبه العاكس ثلاثي المستويات المثبت بنقطة محايدة ولكن بمكونات أقل. يهتم تصميم العاكس متعدد المستويات في المقام الأول بتحويل الطاقة العالية. يوفر العاكس متعدد المستويات مستوى ضغط منخفض للجهاز، وجهد خرج صغير متناسق، وتقليل خسائر التبديل مقارنة بالعاكس التقليدي ذي المستويين. التطبيقات التي تتطلب جهدًا عاليًا وطاقة تستخدم هذه البنية بشكل متكرر.
تم تقديم طوبولوجيا النوع T في البداية لتجنب إجهاد الجهد العالي لدوائر الجسر H، ويمكن استخدامها في كل من التكوينات أحادية الطور وثلاثية الطور، وهي مناسبة للتطبيقات التي تعد فيها الكفاءة العالية والمكونات المخفضة من العوامل الرئيسية. نظرًا لكسب التيار العالي والطاقة العالية وفقدان التوصيل المنخفض وسرعة التبديل السريعة، أصبحت طوبولوجيا النوع T شائعة بشكل متزايد.
يتم عرض المخطط التخطيطي للعاكس من النوع T ثلاثي المستويات المستخدم كمرجع في الشكل 1. بدءًا من المخطط، فإن الخطوة الأولى هي تطوير التصميم التخطيطي ذي الصلة. بمجرد حصولنا على ملف التخطيط، يمكننا تنفيذ المحاكاة لتحديد كيفية تأثير الحث الطفيلي على أداء العاكس.
في PEPro، يتم تحقيق ذلك عن طريق تحميل التخطيط وسحب جميع المكونات والمنافذ والشبكات من لوحة المشروع إلى لوحة الإعداد ثم تشغيل محاكاة EMI. بعد ذلك يمكننا استخدام نتائج Generate Sub Circuit مع EMI في المحاكاة العابرة. يظهر الرسم البياني الذي يصف الإجراءات المطلوبة لتنفيذ محاكاة ما بعد التخطيط في الشكل 2.
بمقارنة عمليات المحاكاة قبل التخطيط وبعد التخطيط (انظر الشكل 3)، يمكننا أن نرى بوضوح اختلافًا في التيار، وضوضاء التبديل، وعدم توازن التبديل بسبب المقاومة الطفيلية والمحاثة.
تجدر الإشارة إلى أنه في المحاكاة على المستوى التخطيطي فقط، لا تتوفر هذه المعلومات. إذا أظهرت محاكاة ما بعد التخطيط بعض السلوكيات غير المرغوب فيها، فيمكن للمصممين تعديل التخطيط وتنفيذ محاكاة ما بعد التخطيط مرة أخرى حتى يتم الحصول على تصميم التخطيط المطلوب.
على سبيل المثال، بعد تعديل التوصيلات لبعض الترانزستورات في المخطط، يمكننا تحليل التغييرات التي تحدث في المقاومات الطفيلية والمحثات في البوابة وحلقة الطاقة التي تجري عملية المحاكاة. يحاكي PEPro تأثير كل من الحث/المقاومة الفردية والحث المتبادل.
بعد تشغيل المحاكاة على التخطيط المعدل، تتوفر قيمة الطفيليات في حلقة البوابة في معلمات S ضمن النتائج. وتشمل هذه المقاومة الفردية للطفيليات والتحريض مقابل التردد. يمكن بعد ذلك استخدام نتائج الطفيليات التي تم الحصول عليها لإعادة تشغيل المحاكاة العابرة.
يوضح الشكل 4 أ الدائرة مع وحدة حلقة الطاقة، بما في ذلك نتائج EMI، بينما يوضح الشكل 4 ب تيار التصريف لكل ترانزستور. في هذه الحالة، يمكننا أن نلاحظ ظاهرة عدم التوازن الحالية، مما يدل على أن كلا من الحث الفردي والمتبادل يؤثر بشكل كبير على عدم التوازن الحالي.
مقوم فيينا
توضح حالة الاستخدام هذه كيف تساعد محاكاة EM البارامترية على تحسين تخطيط شاحن السيارة الكهربائية (OBC). يحتوي OBC عادةً على مرحلتين للطاقة: مرحلة DC/DC لتنظيم جهد الخرج/التيار ومرحلة AC/DC لتصحيح الجهد وتصحيح عامل الطاقة (PFC). في مثالنا، سوف تعتمد مرحلة PFC على طوبولوجيا مقوم فيينا الكلاسيكية (الشكل 5).
تم استخدام أجهزة SiC في المقوم لتمكين جهود الحجب الأكبر وتبديل الترددات ودرجات حرارة الوصلات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تقليل حجم المكون السلبي وتكلفته بشكل كبير من خلال ترددات التحويل الأعلى، التي تتراوح من 70 إلى 200 كيلو هرتز. ومع ذلك، نظرًا للحث الشارد غير المرغوب فيه الناتج عن تأثيرات تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور الطفيلية التي لا يمكن إهمالها، يتم إعاقة أداء المحول بالكامل وقد يتعرض الجهاز للتلف.
لقد قدم ثنائي الفينيل متعدد الكلور المكون من أربع طبقات تحسينات كبيرة في هذا المجال، مما يقلل من الرنين وسلوك الإفراط/النقصان الناجم عن مسارات حثية مختلفة على توصيلات مصدر البوابة في المراحل الثلاث. يمكن تحقيق المزيد من تحسين تخطيط اللوحة في توصيلات البوابة والمصدر باستخدام مجموعة محاكاة نظام التصميم المتقدم PathWave (ADS)، وهي أداة EDA شائعة الاستخدام لمحاكاة الدوائر واستخراج EM.
يستخدم هذا النهج محاكاة EM لتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمحاكاة المشتركة للنموذج المستخرج EM مع مكونات الدائرة. تم بناء العملية على سلسلة أدوات تجمع بين محاكيات الدوائر ومحلولات EM في بيئة تصميم واحدة.
يتم تشغيل عمليات المحاكاة المطلوبة في عملية مباشرة من ثلاث خطوات أثناء إنشاء المنافذ على الشبكات ذات الصلة. يتم تبادل الطاقة (الجهد والتيار) تلقائيًا بين مجالات محاكي الدائرة المعتمد على SPICE وأداة الاستخراج المستندة إلى EM لإنشاء المعلمة S عبر هذه المنافذ، التي تتصل بأجزاء محاكاة الدائرة.
يتم تغذية الدائرة المحاكاة من خلال ثلاثة مصادر جيبية (الخامسRMS = 220 فولت يعمل عند 50 هرتز)، بتكوين Y كلاسيكي ثلاثي الطور. لتوفير الجهد المصحح المتوقع 800 فولت عبر الحمل 60 أوم مع شكل موجة تيار جيبية ثلاثية الطور وفقًا لعامل قدرة قريب من 1، يتم إنشاء إشارات التحكم لمفاتيح SiC بشكل منفصل وتطبيقها على المراحل الثلاث من الدائرة مع المرحلة النسبية المناسبة ودورة العمل.
تقوم أداة المحاكاة تلقائيًا بإعادة توصيل النماذج الكهربائية لمكونات الدائرة مع نموذج المعلمة S للوحة أثناء نمذجة التأثيرات المتعلقة بوجود المحاثات الشاردة وتأثيرات الاقتران الأخرى على اللوحة مع مصفوفة المعلمة S المقابلة. تظهر نتائج المحاكاة لثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو الأربع طبقات في الشكل 6.
لتقليل الحث الضال قدر الإمكان، تم تعديل تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور الأصلي المكون من أربع طبقات، مما أدى إلى توسيع الآثار وربطها ودمج الشبكات الأرضية. هذه التحسينات، الملخصة في الشكل 7، تقلل تقريبًا 30% من الحث الشارد (من حوالي 22 إلى 15 nH).
محاكاة التصميم المرجعي لـ Wolfspeed
كما هو موضح في مذكرة التطبيق،3 يمكن أيضًا استخدام مساحة عمل PathWave ADS لمحاكاة نسخة افتراضية من التصميم المرجعي المادي من Wolfspeed (نموذج CRD-HB12N-J1)، استنادًا إلى سلسلة ترانزستورات الطاقة C3M0032120J1 SiC من Wolfspeed.
CRD-HB12N-J1 عبارة عن نصف جسر به ترانزستوران متصلان بالتوازي على كل جانب. للتشغيل، يجب تضمين نصف الجسر في دائرة خارجية. يتم استخدام نوعين من الدوائر. أولاً، يحتاج محول التعزيز المباشر إلى مصدر تيار مستمر، ومحرِّض، ومكثف، وحمل. يتكون الخيار الثاني من مصدر تيار مستمر، ومحث، وشبكة تحويل حثية مثبتة.
يعد النموذج الأولي الافتراضي أكثر فعالية من حيث التكلفة لاستكشاف مساحة التصميم وإجراء تحليل “ماذا لو” مقارنة بسلسلة من النماذج الأولية للأجهزة المكلفة والمستهلكة للوقت. يمكن أن يقترب التصميم المرجعي من تلبية احتياجاتك، ولكن ليس تمامًا. ومع ذلك، إذا قمت بتغييره، فهناك احتمال أن تحدث آثارًا جانبية غير مرغوب فيها مثل ارتفاع الجهد العالي ومشكلات EMI. يمكنك الحصول على نظرة ثاقبة حول كيفية تغييره مع تقليل العواقب السلبية من النموذج الأولي الافتراضي.
فكر في استبدال بعض المكونات بمكونات أرخص وأقل أداءً. كمثال توضيحي، فكر في مكثف ذو تردد رنين ذاتي أقل وتحريض أو مقاومة سلسلة أكبر. إن إعادة توجيه آثار PCB هو الشيء التالي الذي يجب تجربته، خاصة تلك الموجودة في الحلقة المبدلة ذات الأشكال الموجية شبه المنحرفة ذات di/dt العالية. يمكنك بعد ذلك عرض التأثير على الرنين والتداخل الكهرومغناطيسي.
النماذج الأولية الافتراضية مكملة للنماذج الأولية الحقيقية. على الرغم من أن النماذج الأولية المادية هي معيار الصناعة للامتثال والجودة المقاسة، إلا أنها تحتوي على بعض القيود:
- من الصعب إدخال مسبار قياس على العقد الداخلية، مما يجعل من الصعب اكتشاف ما يحدث بالداخل.
- فهي باهظة الثمن وتستغرق وقتًا طويلاً في التصميم والتصنيع والقياس.
- هم عرضة للفشل.
خاتمة
تؤكد أدوات محاكاة PathWave ADS وPEPro من Keysight على قيمة محاكاة ما بعد التخطيط التي تتوقع طفيليات التخطيط وكيف ستؤثر على الأداء العام لدائرة تحويل الطاقة. ونتيجة لذلك، يتم تسريع وقت الوصول إلى السوق. وبمساعدة أدوات المحاكاة الخاصة بـ Keysight، يستطيع المصممون تحقيق أهدافهم بسرعة أكبر.
مراجع
1تقنيات Keysight. (2023). “محاكاة تأثيرات طفيليات التخطيط على عاكس الطاقة.” مذكرة التطبيق 3123-1047.EN.
2بالومبا وآخرون. (2021). “تحليل الحث الضال لسائق البوابة في مقوم فيينا من خلال المحاكاة الكهرومغناطيسية البارامترية (CIPS 2020).” تقنيات Keysight.
3تقنيات Keysight. (2021). “التصميم المرجعي الافتراضي من Wolfspeed.” مذكرة التطبيق 3121-1406.EN.
تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
