電路設計電力電子仿真工具

2020-06-03

電路設計電力電子系統具有很高的安全要求，尤其是在高壓和高電流下運行時(shí)。在任何電力電子系統中，熱管理也是一個(gè)問(wèn)題，因為組件可以非?？斓剡_到很高的溫度。然后就是開(kāi)關(guān)穩壓器中的噪聲問(wèn)題，它會(huì )引起低電平下游數字組件的意外開(kāi)關(guān)，尤其是當這些穩壓器在大電流下運行時(shí)。

為了確保他們的新電路設計將以可接受的紋波輸出正確的電壓，無(wú)畏的設計師應該做什么？電力電子仿真需要在設計過(guò)程中以及整個(gè)系統中單獨考慮任何有源組件。

電力電子仿真中的檢查內容

這個(gè)問(wèn)題的答案取決于您所構建的系統的類(lèi)型。不同的穩壓器和其他電源系統需要不同的設計和不同的仿真，以確保正確選擇組件。通常，您需要模擬任何電力電子系統的以下方面： 

平均輸出電壓/電流與輸入電壓/電流的關(guān)系。您可以通過(guò)比較系統中的輸入和輸出電壓/電流來(lái)確定設計的功率傳輸特性。確定平均值就像在某個(gè)選定時(shí)間段內計算輸出波形的積分一樣簡(jiǎn)單。

線(xiàn)性度。電力電子系統將在一定范圍內通過(guò)線(xiàn)性函數將輸出和輸入關(guān)聯(lián)起來(lái)。當您需要檢查可以連接到系統的最小負載（即最大電流）時(shí)，應針對不同的負載對此進(jìn)行仿真。

波紋。PFC電路，開(kāi)關(guān)穩壓器，整流器和其他電路不會(huì )產(chǎn)生平坦的DC輸出。當電路中存在開(kāi)關(guān)或整流元件時(shí)，輸出上會(huì )有一些紋波。紋波通常量化為平均輸出電壓/電流的百分比。 

降壓或升壓功能。開(kāi)關(guān)DC-DC轉換器和PFC電路具有不同的拓撲，這些拓撲提供降壓（降壓）或升壓（升壓）功能。您需要根據轉換器拓撲的標準公式驗證輸出是否隨占空比的變化而變化。

該VRM需要為低電平處理器提供超穩定的電源輸出

要執行什么模擬

電路設計電力電子仿真通常會(huì )在時(shí)域中進(jìn)行。有一些重要原因。首先，通常在創(chuàng )建設計之前定義輸入和輸出功率要求，包括任何輸入/輸出交流頻率。您無(wú)需掃描多個(gè)頻率并創(chuàng )建傳遞函數，也無(wú)需確定系統本身的阻抗。

對于使用PWM或PFM脈沖進(jìn)行輸出控制的開(kāi)關(guān)穩壓器和其他電路，情況并非如此。您需要改變占空比（對于PWM和PFM控制信號）和/或調制指數（對于PFM控制信號），以檢查它們如何影響穩壓器的輸出。 

以下是成功模擬電力電子設備的一些步驟：

在輸入端使用受控源

您的電源需要進(jìn)行電壓控制或電流控制，以確保您的電源系統能夠模仿真實(shí)系統的行為。實(shí)際電源將限制它們在電力系統中可以提供的電流，并且短路負載不能吸收無(wú)限大的電流。放置的負載太小可能會(huì )導致電路過(guò)早飽和，因此在構建原型之前了解這些限制很重要。

通過(guò)參數掃描改變負載

為了檢查系統的功率消耗，您最終需要改變負載組件以檢查系統的功率輸出。這可以通過(guò)時(shí)域中的簡(jiǎn)單參數掃描來(lái)完成。這種類(lèi)型的分析會(huì )生成多條曲線(xiàn)，顯示每個(gè)負載分量值隨時(shí)間的輸出電壓/電流，從而直接比較各種負載值的功率輸出。您可以使用相同的步驟來(lái)檢查其他組件（尤其是系統中的任何電感器或電容器）如何影響功率輸出，紋波和線(xiàn)性度。

任何晶體管/ FET的設計負載線(xiàn)

不要簡(jiǎn)單地將晶體管放置在電路中而不模擬其負載線(xiàn)。您的系統可能需要在線(xiàn)性或飽和狀態(tài)下運行。在開(kāi)關(guān)穩壓器中，需要確保在負載電阻值的所有可能范圍內都在線(xiàn)性范圍內工作。使用參數直流掃描，您可以通過(guò)改變負載和基極/柵極電壓輕松地為系統創(chuàng )建負載線(xiàn)。下圖顯示了一組可用來(lái)構造載荷線(xiàn)的SPICE傳遞曲線(xiàn)示例。

可以為PSpice中的電源晶體管構建的晶體管IV曲線(xiàn)。

一旦電力系統中的組件進(jìn)入飽和狀態(tài)（即，一旦負載電阻太低），為了安全起見(jiàn)，系統將需要進(jìn)入恒定電流模式，并且系統應具有限流輸出。下面顯示了針對這種情況的理想系統負載線(xiàn)。實(shí)際負載線(xiàn)在低負載電阻下會(huì )有一些下降，并且系統應突然進(jìn)入電流限制狀態(tài)。

電力電子仿真中的理想系統負載線(xiàn)

在包括發(fā)電機模型之前定義PWM源

一般采用迭代方法來(lái)模擬電路設計電力電子。將PWM源定義為獨立的方波電壓源，可以在添加PWM發(fā)生器之前模擬電路的功能?？梢詫⑷魏?/span>PWM發(fā)生器電路和其他組件作為經(jīng)過(guò)驗證的組件模型添加到系統中。