محاكاة الضبط الدقيق: تعزيز الدقة في دوائر إلكترونيات الطاقة

الدقة أمر بالغ الأهمية في مجال إلكترونيات الطاقة ومحاكاة الدوائر. تعتمد صحة نتائج المحاكاة على دقة النماذج المستخدمة للمكونات الفردية. سواء كانت IGBTs أو كربيد السيليكون أو MOSFETs السيليكونية، فإن موثوقية تنبؤات المحاكاة تعتمد على دقة هذه النماذج. إن المرحلة الخالدة “القمامة تدخل، القمامة تخرج” صحيحة.

يتم اشتقاق بناء النماذج على مستوى النظام من أوراق البيانات، التي تعتمد على القياسات المعملية لخصائص المكونات مثل التوصيل، وفقدان الطاقة، والمقاومة الحرارية. وهو يشكل معظم النماذج القياسية الصناعية. ومع ذلك، تعتمد هذه النماذج المستندة إلى أوراق البيانات على تكوينات وبيئات معملية ولا تعكس دائمًا مجموعة واسعة من الظروف التي تتم مواجهتها في التطبيقات العملية. من غير الصحيح افتراض أن النموذج المشتق من ورقة البيانات يصور بدقة تعقيدات البيئة الطفيلية الفردية لمصمم إلكترونيات الطاقة. إن احتمال تزامن البيئة التجريبية للشركة المصنعة وبيئة تطبيقات مصمم إلكترونيات الطاقة يقترب من الصفر. يؤدي هذا التناقض الواضح إلى حدوث أخطاء كبيرة محتملة في نتائج المحاكاة، والتي تتصاعد في كثير من الأحيان إلى 20٪ إلى 30٪ أو أعلى. ومن أجل التخفيف من هذا الأمر، من الضروري إجراء تحول نموذجي.

يعد مولد نماذج PLECS للخدمة الذاتية (SSPMG) من Onsemi نهجًا رائدًا يمكّن المستخدمين من إدخال بيئتهم الطفيلية المحددة، وصياغة نماذج PLECS مخصصة. تخيل أنك اشتريت بدلة من على الرف، ولم تكن مناسبة تمامًا على الإطلاق. تمامًا مثل الخياط الماهر الذي يقوم بضبط الملابس للحصول على مقاس لا تشوبه شائبة، تقوم SSPMG بتخصيص النماذج بدقة للتطبيقات الفردية.

جوهر هذا النهج بسيط: لا يتعلق الأمر بنتائج مختبر onsemi بل يتعلق بتطبيقك في بيئتك. ومن خلال السماح للمستخدمين بضبط النماذج بما يتناسب مع بيئاتهم الفريدة، تشهد دقة عمليات المحاكاة ارتفاعًا كبيرًا. هذا التركيز على التخصيص والدقة ليس مجرد مفهوم نظري؛ إنه حل واقعي مدعوم بنتائج ملموسة. بدأت الصناعة في اللحاق بالركب، حيث تعترف بالتناقضات الكبيرة الناشئة عن النماذج العامة وتعترف بقوة تصميم عمليات المحاكاة وفقًا للاحتياجات الفردية.

تتيح أداة محاكاة onsemi SSPMG أيضًا للمستخدمين تخصيص الجداول عالية الكثافة بناءً على انحيازهم الكهربائي وظروف درجة الحرارة. الهدف هو التأكد من أن الاستيفاء بين نقاط البيانات داخل الجدول دقيق وتقليل الحاجة إلى الاستقراء، والذي غالبًا ما يؤدي إلى أخطاء في محاكاة النظام.

قامت Onsemi بتطوير أداة SSPMG لتشمل “نماذج الزاوية” التي تمثل ظروف التصنيع المختلفة للمنتج الإلكتروني. تظهر عوامل مثل الفولتية العتبية والمقاومة على الحالة وفولتية الانهيار والسعة والمزيد من الاختلافات بناءً على الفيزياء داخل القوات المسلحة البوروندية. يصبح التقاط هذه الاختلافات البارامترية المترابطة أمرًا بالغ الأهمية، خاصة على مستوى النظام، لأنها تؤثر بشكل كبير على فقدان الطاقة، وفقدان التوصيل، وسلوك درجة الحرارة للأجهزة قيد الاختبار.

حققت Onsemi تطورات من خلال تقديم نماذج PLECS الصالحة لتطبيقات التبديل الصلبة واللينة. النماذج صالحة أيضًا لعملية التصحيح المتزامن ولتشغيل المفتاح الرئيسي فقط. يمكن للأداة محاكاة العديد من تطبيقات التبديل الناعم، بما في ذلك الرنين DC/DC LLC وCLLC، والجسر النشط المزدوج، وطوبولوجيات الجسر الكامل ذات التحول الطور.

التبديل الناعم والصعب

في إلكترونيات الطاقة، يعد التمييز بين التبديل الناعم والتحويل الصعب أمرًا بالغ الأهمية. بالنسبة للتبديل الصعب، يعد اختبار النبض المزدوج (DPT) طريقة موثوقة لحساب الخسائر. ومع ذلك، يصبح غير دقيق بالنسبة للتبديل الناعم، الذي يعتمد على الهيكل ووضع التشغيل. إن محاكاة التبديل الناعم باستخدام DPT غير دقيقة بكل بساطة.

لمعالجة هذه المشكلة، يقوم SSPMG بحساب فقدان الطاقة بدقة باستخدام جهاز اختبار جديد لفقد الانتقال لمجموعة من الهياكل، بما في ذلك الجسر الكامل المزاح بالطور، وDC/DC LLC، ورنين CLLC. يعمل هذا التخطيطي المتخصص على تحسين دقة نماذج التبديل الناعم، وهي خاصية يتم تجاهلها كثيرًا في الصناعة. أصبح المهندسون الآن قادرين على الحصول على تمثيلات دقيقة لتصميماتهم، وبالتالي التحايل على الأخطاء الناجمة عن ظروف المحاكاة غير المتوافقة. بفضل قدرتنا المتكاملة، يمكن للمصممين الاعتماد على نماذج دقيقة بغض النظر عن طوبولوجيا التبديل، مما يضمن الدقة في عمليات المحاكاة.

اختبار فقدان التبديل

يعمل DPT كطريقة شائعة لقياس خسائر التبديل في أجهزة أشباه الموصلات. إنه يعمل عن طريق التدوير من خلال خطوات محددة: أولاً، بدء تشغيل تيار المحث عن طريق تنشيط مفتاح الجانب المنخفض، ثم قياس خسائر إيقاف التشغيل عندما يتم إيقاف تشغيل مفتاح الجانب المنخفض عند نقطة تيار معينة. يستمر تيار المحرِّض، مدعومًا بالصمام الثنائي عالي الجانب، ويُفترض أن يظل ثابتًا بسبب انخفاض جهده المنخفض ومدته القصيرة. أخيرًا، يتم تشغيل المفتاح ذو الجانب المنخفض مرة أخرى، مما يسمح بقياس خسائر التشغيل مع تيار محث مماثل أثناء إيقاف التشغيل.

يؤثر الإعداد، سواء كان نصف جسر أو ربع جسر، على خسائر التبديل، لا سيما بسبب الاختلاف في الخصائص بين ثنائيات SiC Schottky وثنائيات جسم MOSFET. يؤثر التكوين، الذي يطلق عليه اختبار من النوع “التعزيزي”، على خسائر المفتاح الرئيسي حيث يؤثر تيار الاسترداد العكسي في المفتاح/الصمام الثنائي عالي الجانب على خسائر المفتاح السفلي عند التشغيل.

تؤثر العوامل الخارجية، مثل المكثف الطفيلي للمحرِّض وتحريض تسرب ثنائي الفينيل متعدد الكلور، بشكل كبير على خسائر التبديل النشطة. يؤثر المكثف الطفيلي للمحث على E_على و إي_عنمما يؤثر على الخسائر الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن محاثة تسرب ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمكونات مثل خرزات الفريت لتخفيف EMI تغير حجم وأداء حلقة التبديل، مما يؤثر على الخسائر عن طريق إبطاء تصاعد التيار والسماح للجهد بالوصول إلى مستويات أقل.

يعد استخدام DPT وسيلة فعالة لقياس الخسائر، خاصة عندما تهدف إلى الدقة مع الحد الأدنى من التأثير من العناصر الطفيلية. في حين أن DPT المتقدم من onsemi يعمل بشكل جيد في مقارنة عناصر المحفظة مثل أحجام القالب والحزم، فمن المهم أن نفهم أن الخسائر في بيئة الاختبار لن تعكس تلك الموجودة في تطبيق المستخدم. تؤثر العناصر الطفيلية الخاصة بالمستخدمين بشكل كبير على الخسائر في العالم الحقيقي، مما يجعل من غير العملي تخصيص إعداد جديد لكل تصميم.

تعد المحاكاة القائمة على النمذجة بديلاً لهذه الطريقة المعقدة والمعتمدة على القياس كثيفة الموارد والمحدودة. من خلال استخدام عمليات المحاكاة البارامترية ونماذج المحاكاة الدقيقة للغاية مثل نماذج SPICE الفيزيائية والقابلة للتطوير من onsemi، يمكن لمصممي إلكترونيات الطاقة إنشاء نماذج خسارة دقيقة بسرعة. من خلال تسهيل تقييم سيناريوهات متعددة ضمن تشغيل واحد، توفر عمليات المحاكاة هذه رؤى أسرع وأكثر اقتصادا من تقنيات القياس الشاقة.

يتضمن SSPMG الخاص بـ Onsemi أكثر من 30 معلمة لضبط مخططات محاكاة DPT أو أجهزة اختبار فقدان الانتقال، والتي يتم استخدامها لاستخلاص خسائر وحدة الطاقة المنفصلة من SiC MOSFETs. من خلال دمج مجموعة واسعة من مراحل وسيناريوهات التطبيق والسماح بتعديل جهد البوابة، تتيح هذه الأداة الشاملة لمصممي إلكترونيات الطاقة إنشاء نماذج خسارة PLECS دقيقة بشكل استثنائي ومخصصة لتطبيقاتهم الخاصة.

دراسة حالة: شاحن سريع بالتيار المستمر

بفضل الإمكانات الفريدة من نوعها، كان لـ Elite Power Simulator وSSMPG تأثير كبير على دورات تطوير المنتج، لا سيما في قطاعات مثل الشحن السريع بالتيار المستمر، حيث يعد تحسين الجداول الزمنية للتصميم أمرًا بالغ الأهمية. يعد نشر الأداة في شاحن سريع بقدرة 25 كيلو واط يعمل بالتيار المستمر – وهو مكون أساسي في البنية التحتية لشحن السيارات الكهربائية – مثالًا رائعًا. في هذه الحالة، سهّل جهاز المحاكاة بشكل فعال دراسة حالة قارنت وحدات نصف الجسر من SiC للجيلين الأول والثالث، وتنبأت بدقة بالفوارق في الكفاءة التي تعكس النتائج التجريبية بشكل وثيق.

قام Onsemi بتحليل المقارنة بين البيانات المقاسة ونتائج المحاكاة في الشاحن السريع بقدرة 25 كيلو واط. تُظهر المحاذاة بين إجمالي خسائر الوحدة المحاكاة والمقيسة، وإن كان ذلك مع انحرافات طفيفة، علاقة واعدة. ومع ذلك، فإن إدخال النماذج المشتقة من SSPMG في Elite Power Simulator يضيف طبقة أخرى إلى التحليل، حيث يتضمن طفيليات التخطيط والتفاصيل المعقدة مثل مكثفات لف المحرك ويؤدي إلى عمليات محاكاة دقيقة.

تشكل مجموعة متنوعة من المرشحات ومكبرات الصوت ومحركات البوابة المتشابكة مع وحدات SiC MOSFETs البنية الداخلية للشاحن. يتم الكشف عن التانغو المعقد بين محول AC/DC النشط ومحول DC/DC من خلال استخدام الوحدات والطوبولوجيات المختلفة لتحقيق الأداء الأمثل. تُظهر التقييمات منحنى الخسائر ضمن ±10%، لكن عمليات المحاكاة توفر حكاية أكثر تعقيدًا ضمن ±5%.

يوضح التفاعل الديناميكي بين عمليات المحاكاة والبيانات المرصودة أهمية استخدام النمذجة الدقيقة والقياسات الشاملة عند فك رموز أداء إلكترونيات الطاقة.

ما هو الجديد

إن Elite Power Simulator وSSMPG قابلان للتكيف مع تقنيات أشباه الموصلات المتنوعة. أثناء التركيز في البداية على منتجات SiC، توسعت كلتا الأداتين مؤخرًا لتشمل منتجات Field-Stop 7 IGBT. يضمن هذا التنوع أن المهندسين يمكنهم الاستفادة من الأدوات عبر الأجهزة المختلفة، وتصميم عمليات المحاكاة وفقًا لمتطلباتهم المحددة.

مرجع:

• محاكي قوة النخبة
• مولد نموذج PLECS للخدمة الذاتية
• المزايا التقنية لجهاز محاكاة طاقة النخبة الجديد ومولد نموذج PLECS للخدمة الذاتية من onsemi
• أجهزة محاكاة جديدة على مستوى النظام لتطوير نموذج أولي افتراضي لتصميم نظام الشحن السريع المعقد بالتيار المستمر

مقالة محاكاة الضبط الدقيق: تعزيز الدقة في دوائر إلكترونيات الطاقة ظهرت لأول مرة على أخبار إلكترونيات الطاقة.