Diseño de circuitos de electrónica de potencia con MATLAB y Simscape Electrical
Simscape Electrical permite a grupos de ingeniería explorar topologías de circuitos y dimensionar componentes, así como realizar estudios comparativos específicos para fundamentar decisiones críticas en las primeras etapas del diseño. La exploración del diseño es rápida y flexible con acceso a librerías de piezas definidas por los fabricantes, capacidades de importación de componentes y extensas librerías de elementos de circuito, entre ellos fuentes de potencia, cargas eléctricas y electromecánicas, componentes activos y pasivos, convertidores preconfigurados y plantillas de control. La integración directa con MATLAB permite explorar rápidamente y acotar el espacio de diseño, teniendo en cuenta variables y restricciones.
Con MATLAB y Simscape Electrical, profesionales de desarrollo de convertidores e inversores de potencia pueden:
- Simular circuitos utilizando múltiples niveles de detalle para estudios comparativos, análisis preliminares y optimización
- Capturar y gestionar requisitos del sistema para realizar análisis de impacto y cobertura
- Realizar análisis térmicos, mecánicos y basados en frecuencia
- Realizar estudios de inyección de fallos
- Usar librerías de piezas de proveedores preconstruidas y cosimular con modelos exportados a software SPICE
El uso de la simulación en nivel de sistema con Simulink nos brindó la posibilidad de considerar más decisiones de diseño y comparar tradeoffs, por lo que dedicamos más tiempo a la fase de diseño del proyecto. El beneficio fue que encontramos errores de diseño y problemas de integración cuando era más fácil y menos costoso corregirlos.
Estudios comparativos, análisis preliminares y optimización
Simscape Electrical ofrece dos ventajas clave para el diseño sistemático en etapas tempranas y estudios comparativos de convertidores de potencia:
- Integración directa con MATLAB para scripting, automatización del diseño y optimización, ideal para la exploración automatizada del espacio de diseño.
- Control del nivel de detalle de la simulación, desde modelos de transistores dependientes de la temperatura hasta modelos de comportamiento de alto nivel que abstraen conmutación y control del convertidor.
En conjunto, estas funcionalidades crean un entorno unificado en el que la automatización y la fidelidad del modelo se adaptan a los requisitos del proyecto.
Utilice MATLAB para impulsar la optimización y los estudios comparativos con modelos de Simscape Electrical, abordando múltiples objetivos durante las simulaciones de circuitos. Priorice factores como el coste, la calidad de la potencia o el ancho de banda, mientras se imponen restricciones estrictas como eficiencia mínima, o márgenes requeridos de ganancia y fase.
- Aplique optimización discreta y basada en enteros para garantizar la selección de componentes reales disponibles en el mercado.
- Combine restricciones continuas y discretas para explorar arquitecturas de circuito, valores de componentes, esquemas de control y mucho más.
- Aplique estrategias de optimización locales, globales y basadas en IA, y utilice el diseño de experimentos (DOE) para cubrir sistemáticamente todos los parámetros del circuito de interés.
Ejemplos característicos
Múltiples niveles de fidelidad
Simscape Electrical ofrece componentes con diferentes niveles de detalle de modelado para abordar criterios específicos de diseño. Tome decisiones detalladas de diseño y nivel de sistema dentro del mismo flujo de trabajo.
Escenarios:
- Análisis en nivel de sistema de coste y eficiencia sin lazos de control de bajo nivel
- Ajuste de la resistencia de accionamiento de puerta para equilibrar la eficiencia frente a las interferencias electromagnéticas (EMI)
Niveles de fidelidad para semiconductores de electrónica de potencia:
- Interruptores no lineales detallados (tipo SPICE): Capturan las dinámicas de activación/desactivación y las no linealidades.
- Dispositivos lineales conmutados: Ignoran las dinámicas detalladas de transición para permitir una exploración rápida de los efectos de conmutación y cuantificar las pérdidas utilizando tablas de pérdidas precalculadas.
- Modelos de valor promedio: Se centran en la dinámica del sistema de orden superior, e incluyen el modo de conducción discontinua (DCM).
Múltiples niveles de fidelidad de modelo también se aplican a baterías, motores, circuitos integrados y mucho más. Seleccionar la fidelidad adecuada es fundamental para desarrollar modelos útiles con los datos disponibles, respaldando el diseño iterativo incluso cuando algunos detalles son desconocidos. También acelera la creación, el mantenimiento y la simulación de modelos ya que abstrae la complejidad.
Característica i-v típica de un modelo IGBT de conmutación ideal. Si la tensión puerta-emisor supera la tensión umbral especificada, Vth, entonces el IGBT está en estado activado. De lo contrario, el dispositivo está en estado desactivado.
Ejemplos característicos
Importación de XML y lista de conexiones SPICE de piezas de proveedores
Simscape Electrical admite el modelado de componentes definido por fabricantes de tres maneras:
- Modelado basado en fichas técnicas: Utilice parámetros de fichas técnicas del fabricante para configurar bloques de librería de Simscape Electrical cuando los modelos de simulación suministrados por el proveedor no estén disponibles y los valores de la ficha técnica sean suficientes para el análisis en nivel de sistema.
- Extracción de parámetros a partir de la simulación: Simule modelos SPICE del fabricante para extraer parámetros clave, como pérdidas por conmutación, perfiles de capacitancia y características térmicas, que se utilizan para rellenar tablas de búsqueda para modelos de comportamiento. Este proceso replica el rendimiento del dispositivo utilizando un componente integrado de la librería Simscape Electrical.
- Importación de listas de conexiones SPICE: Importe modelos detallados de dispositivos de fabricantes utilizando listas de conexiones SPICE que incluyan no linealidades y parasitismos RLC.
Simscape Electrical incluye datos de componentes de Infineon® y Wolfspeed, y proporciona herramientas para crear modelos representativos de cualquier dispositivo discreto con datos apropiados del proveedor. Esta capacidad garantiza un modelado coherente y verificado en los dominios eléctrico, térmico y de control.
Cosimulación y exportación de modelos
Simscape Electrical se integra en flujos de trabajo de diseño de hardware existentes, que a menudo incluyen software EDA y de diseño para generar archivos finales de diseño. Para respaldar esta integración, Simulink ofrece prestaciones de cosimulación y exportación de modelos, lo que permite su adopción en numerosos entornos de diseño. Emplee las ventajas de diferentes plataformas simultáneamente mediante cosimulación con herramientas de simulación de circuitos, entre ellas PSpice y SIMetrix. Exporte modelos de circuitos como código C y HDL/Verilog para su uso en herramientas EDA, integrándose con SystemVerilog y permitiendo que los modelos creados en Simscape Electrical se ejecuten dentro de entornos EDA.
Ejemplos característicos
Análisis térmico y mecánico
El encapsulado y el diseño físico son fundamentales en el diseño de convertidores de potencia. Simscape Electrical proporciona cálculos detallados de pérdidas en cada nivel de fidelidad:
- En modelos de transistores, siempre se calculan tanto las pérdidas por conmutación como las pérdidas por conducción.
- En modelos lineales por tramos, para una simulación más rápida, las pérdidas se importan de tablas de proveedores o se generan automáticamente a partir de modelos de transistores basados en la física, que abarcan escenarios de conmutación suave.
- Los modelos de valor promedio y los modelos de comportamiento incorporan mapas de eficiencia para mantener un comportamiento térmico preciso y la eficiencia del circuito.
Simscape Electrical proporciona modelado térmico mediante redes de Cauer y Foster, lo que permite simular la transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Los modelos pueden incluir detalles avanzados como refrigeración líquida y bifásica, así como intercambiadores de calor, lo que permite a diseñadores de circuitos evaluar estrategias de extracción de calor teniendo en cuenta las demandas de energía de la refrigeración activa.
Modele componentes electromecánicos como motores y solenoides en diversos niveles de fidelidad, desde representaciones de parámetros combinados hasta modelos de orden reducido (ROM) importados de FEA. Estos modelos pueden incorporar comportamiento no lineal detallado, como se observa en motores eléctricos, lo que permite capturar efectos de armónicos espaciales y saturación magnética. Agregue el comportamiento térmico según sea necesario para respaldar un análisis detallado en los ámbitos eléctrico y mecánico.
Con Simscape Electrical, creamos un modelo integrado del sistema de potencia que conecta los dominios eléctrico y térmico, lo que nos permite tener una perspectiva integral durante las simulaciones en nivel de misión. Si necesitamos modelar los motores que giran los paneles solares, también podemos integrar esos componentes mecánicos.
Ejemplos característicos
Diseño de lazos de control
En el desarrollo de convertidores de potencia, el lazo compensador y el diseño del circuito físico están acoplados y se benefician de desarrollarse conjuntamente. Simulink permite explorar esta interacción desde las primeras etapas del diseño utilizando simulación en nivel de sistema para aplicar tanto técnicas de control clásicas como avanzadas.
Con Simulink, grupos de ingeniería pueden:
- Diseñar y evaluar sistemas de control en los dominios de tiempo continuo (S) y tiempo discreto (Z)
- Garantizar el cumplimiento de requisitos clásicos de control, como ancho de banda, anulación de perturbaciones, margen de fase y margen de ganancia
- Combinar objetivos en el dominio de la frecuencia con restricciones de rendimiento en el dominio del tiempo, como sobreimpulso y tiempo de respuesta
Integrar el diseño de control con el modelado en nivel de circuito permite evaluar simultáneamente el rendimiento del control y los tradeoffs de hardware, reducir los cambios de diseño en etapas avanzadas y mejor la solidez de todo el sistema.
Vídeos
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Inyección de fallos
Los componentes de Simscape Electrical permiten el modelado, la inyección y el análisis de fallos. Los componentes individuales contienen fallos predefinidos, mientras que los bloques de fallo específicos permiten inyectar circuitos abiertos o cortocircuitos en cualquier punto del sistema. Los criterios de simulación, entradas de usuarios o instantes de simulación pueden generar fallos. Debido a que el entorno de simulación reconoce estos comportamientos como fallos, todos los escenarios de fallos se gestionan a través de una ventana de fallos específico que permite una evaluación virtual sistemática y a fondo de los fallos. Esta capacidad es escalable para respaldar el análisis de modos y efectos de fallo (FMEA) virtual cuando sea necesario.
Ejemplos característicos
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Análisis basado en frecuencia
Simscape Electrical admite tanto el análisis en el dominio de la frecuencia como la simulación en el dominio del tiempo. Esta capacidad es esencial para estudiar la calidad de potencia, la impedancia de entrada, la anulación de ruido y el diseño de lazos de control. Cuando se usan bloques de convertidor preconfigurados de la librería Simscape Electrical, las respuestas en frecuencia analíticas y las funciones de transferencia están disponibles de forma inmediata, ya que los modelos de valor promedio se derivan e integran dentro del modelo. Para topologías personalizadas que contienen discontinuidades donde no son posibles los modelos de valor promedio, existen herramientas de identificación de respuesta en frecuencia en Simulink Control Design. Esto evita realizar análisis manual de señales pequeñas o derivar modelos de valor promedio. Integre datos de respuesta en frecuencia con algoritmos de control y optimización, o utilícelos con herramientas de identificación de sistemas para generar modelos en el dominio del tiempo de orden reducido. No se requiere análisis matemático manual.
Ejemplos característicos
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Trazabilidad de requisitos
MATLAB y Simulink ofrecen un entorno integral para la trazabilidad de requisitos dentro de flujos de trabajo estructurados de diseño de hardware, diseñado para cumplir con las normas de seguridad funcional ISO 26262 e IEC 61508. Establezca un hilo digital para conectar requisitos basados en texto directamente con modelos de circuitos, simulaciones y resultados de pruebas con Simulink Requirements, Simulink Test y Simscape Electrical.
Antes de utilizar Requirements Toolbox, no sabíamos que un requisito era incorrecto hasta llegar a la etapa de pruebas en hardware. Conectar los requisitos con el modelo nos permitió comprender cómo se implementa cada requisito y las relaciones entre ellos.
Ejemplos característicos
Recursos y soporte
Documentación
Cursos introductorios Onramp
Cursos online de control de motores
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