تساعد محاكاة إلكترونيات الطاقة في سرعة تحويل النماذج الأولية
يتضمن تصميم نظام إلكترونيات الطاقة الدائرة الكهربائية وخوارزميات التحكم. أدت أهداف تحسين كثافة الطاقة وكفاءتها إلى تطوير طوبولوجيات جديدة لتحويل الطاقة. علاوة على ذلك، فإن أشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة (WBG) مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) تتيح ترددات تبديل أسرع بكثير ومعدلات كبيرة مع طفيليات أقل. تعد النمذجة والمحاكاة الدقيقة جوانب مهمة لأي تصميم جديد للمحول، خاصة في التطبيقات التي تستخدم WBGs حيث يمكن أن تتطلب ترددات التحويل الأعلى ومعدلات الدوران المستخدمة لتحسين الكفاءة اهتمامًا أكبر بالأداء العابر والحراري. في هذه المقالة، سوف نستكشف بعض ميزات SIMBA، وهي أداة محاكاة تتناول المتطلبات الأساسية في تطوير محولات الطاقة.
الدقة مقابل مقايضات وقت المحاكاة في نمذجة أجهزة إلكترونيات الطاقة
النموذج هو تمثيل لسلوك الجهاز. الهدف هو التنبؤ بالتأثيرات الساكنة والديناميكية والعابرة والحرارية والتداخل الكهرومغناطيسي التي يقدمها هذا الجهاز عند استخدامه في دائرة معينة، مثل محول الطاقة. يمكن تحديد مقاييس مهمة مثل تبديد الطاقة، وتجاوز الفولتية، والتيارات، والوقت اللازم للوصول إلى الفولتية المستقرة، وما إلى ذلك. عادةً ما تقدم الشركات المصنعة لأجهزة أشباه الموصلات نماذج مجانية لأجهزتها على مواقعها الإلكترونية. يمكن للنماذج التفصيلية التي تأخذ في الاعتبار السلوك الفيزيائي للجهاز عبر نطاق التشغيل بأكمله أن تتنبأ بالأداء بدقة ولكن عادةً مع أوقات محاكاة طويلة بشكل غير مقبول، خاصة عند استخدامها في دوائر معقدة. يمكن تحقيق أوقات محاكاة أقصر في أنظمة إلكترونيات الطاقة باستخدام نماذج الأجهزة المبسطة، مثل النماذج الخطية متعددة التعريف، حيث يتم التعامل مع المحولات كأجهزة مثالية عبر حدث التبديل. تتوفر مثل هذه النماذج عادةً في مكتبات المكونات ضمن برامج المحاكاة مثل SIMBA. يمكن محاكاة حلقات التحكم لاحقًا باستخدام نماذج الأجهزة هذه بدقة معقولة وأوقات محاكاة معقولة.
يمكن تحسين دقة التأثيرات غير الخطية والمترابطة (مثل المقاومة الحرارية ودرجة حرارة الوصلة) باستخدام نماذج تنبؤية تعتمد على أداء الجهاز المقاس. يمكن تمثيل هذا السلوك أحيانًا عن طريق وضع مكونات إضافية، مثل المكثفات أو المقاومات، التي تتبع سلوكًا معينًا، على سبيل المثال، الجهد ودرجة الحرارة، على التوالي أو بالتوازي مع المفتاح النشط. الهدف هو إنشاء تقديرات خطية متعددة الأجزاء للأحداث غير الخطية دون التأثير على أوقات المحاكاة بشكل كبير. وبالتالي يحتاج بائعو برامج المحاكاة إلى منح المستخدم المرونة اللازمة لتحسين نماذج الأجهزة الأبسط التي تعد جزءًا من مكتباتهم مع بيانات الشركة المصنعة للجهاز أو المستخدم النهائي.
نظرة عامة على سيمبا
يعد SIMBA، الذي طورته شركة Powersys وتم إصداره منذ حوالي عامين، بمثابة حل تنبؤي للخطوات الزمنية لدوائر إلكترونيات الطاقة. يقوم بالعثور على أداة البحث عن الخطوات الزمنية المثالية (OTSF) واستخدامها لمحاكاة ثوابت وأحداث وقت النظام دون المساس بالدقة. يتم استدعاء خوارزمية OTSF في بداية المحاكاة العابرة وبعد كل حدث تبديل. يتم تحسين الدقة الزمنية للانقطاع مثل حدث التبديل من خلال مقدر وقت حدث الانقطاع التالي (NDETE) الذي يعمل بالتوازي مع الحل الرئيسي. التحليل العقدي المعدل في حله باستخدام المصفوفات المتفرقة يجعل وقت الحساب ينمو خطيًا مع عدد العقد (بدلاً من التربيعي كما هو الحال في أدوات المحاكاة الأخرى)، مما يؤدي إلى عمليات محاكاة سريعة حتى لطبولوجيا المحولات المعقدة.
يوضح الشكل 1 المجموعة الكاملة من عمليات المحاكاة اللازمة لتصميم المحول. تعمل منصة SIMBA حاليًا على محاكاة ميزات تصميم النظام والتحكم.
في عام 2023، أضافت SIMBA العديد من الميزات الجديدة، مثل حل الخطوات متعدد الأوقات، وإصدار عبر الإنترنت من أداتها، ونماذج المحركات المحسنة، وحسابات FFT. يوضح الشكل 2 مجموعة الميزات الشاملة المتوفرة مع SIMBA.
البرمجة النصية باستخدام بايثون
إحدى الميزات الفريدة لـ SIMBA هي قدرة المستخدمين على إنشاء كود البرمجة النصية الخاص بهم في Python واستخدام المجموعة الواسعة من المكتبات والوحدات المعدة مسبقًا. يمكن أتمتة المهام الروتينية، مما يقلل من الأخطاء البشرية. يمكن استخدام الأدوات الموجودة في لغة Python، مثل NumPy وMatplotlib، في الحساب الرقمي وتصور البيانات. تتيح مكتبة aesim.simba SIMBA Python للمستخدمين تشغيل عمليات المحاكاة دون استخدام سطح مكتب SIMBA. توفر إضافة الإصدار عبر الإنترنت للمستخدمين ثلاث طرق مختلفة لتشغيل عمليات محاكاة منصة SIMBA (سطح المكتب، باستخدام aesim.simba، أو عبر الإنترنت). يمكن إجراء ميزات مهمة مثل التحليل البارامتري والحساسية بشكل آلي بمساعدة نصوص بايثون. يعد التحكم في الإصدار وإمكانية المشاركة من الميزات الجوهرية لـ aesim.simba، مع توفر العديد من الأمثلة للمستخدمين في مستودع GitHub.
بعض الأمثلة على محاكاة SIMBA
مقارنات الخسارة الحرارية
يوضح الشكل 3 المخطط التخطيطي لمحول باك DC-DC البسيط. تم إجراء عمليات محاكاة عابرة في SIMBA باستخدام ملفات الوصف الحراري المقدمة من الشركة المصنعة للجهاز. وقد أتاح ذلك إجراء مقارنة فورية للفقد ودرجة حرارة الوصلة عبر أجهزة Infineon IGBTs المتعددة المستخدمة للمحول في هذا التطبيق.
المحاكاة العابرة
يوضح الشكل 4 (أ) مخططًا تخطيطيًا لمحول Flyback الذي تمت محاكاته على SIMBA. تمت محاكاة الاستجابة العابرة الناتجة الموضحة في الشكل 4 (ب) خلال 100 مللي ثانية تقريبًا وتظهر جهدًا ثابتًا تم تحقيقه عند حوالي 0.3 مللي ثانية من بدء التشغيل.
خريطة كفاءة مجموعة نقل الحركة في السيارة الكهربائية
يعد عاكس الجر الخاص بالمركبة الكهربائية (EV) مثالًا رئيسيًا على استخدام أجهزة تبديل كربيد السيليكون (SiC) لتحسين الكفاءة وكثافة الطاقة والأداء الحراري، خاصة في الأحمال الخفيفة (المبحرة). تعتمد كفاءة تحويل الطاقة على ظروف تحميل المحرك. يوضح الشكل 5 عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها على عاكس ثلاثي الطور: جهد Vbus يبلغ 450 فولت، وتردد تبديل العاكس قدره 50 كيلو هرتز، ودرجة حرارة حالة Wolfspeed SiC MOSFETs المستخدمة في المثال عند 80 درجة مئوية. تم تباين عزم دوران المحرك وسرعته، وتم الحصول على خريطة الكفاءة ثنائية الأبعاد، كما هو موضح في الشكل.
خارطة الطريق المستقبلية
تتمثل الخطة في تعزيز وتحسين مجموعة عمليات المحاكاة المقدمة في إصدارات SIMBA المستقبلية. وتشمل هذه:
- إضافة محاكاة للمغناطيسية وأداء EMI
- بما في ذلك خيارات الطراز الأكثر تفصيلاً للأجهزة النشطة مثل MOSFETs وIGBTs، بما في ذلك التوافق مع طراز SPICE.
وعلق فريدريك بيريت، مدير التسويق في Powersys قائلاً: “نحن متحمسون لتقديم منصة محاكاة إلكترونيات الطاقة التي توفر إمكانية البرمجة النصية بلغة Python. تتيح منصة SIMBA سرعة محاكاة سريعة حتى لعمليات المحاكاة المعقدة ذات المعلمات دون المساس بالدقة.
