电力电子电路仿真精度提高方法

引 言

随着电力电子技术的不断发展，新能源和微电网在电力系统中的大规模接入，电力系统呈现出电力电子化趋势。在电磁暂态仿真计算中，针对不同的仿真对象以及不同的仿真精度要求，使用的数值计算方法不尽相同 。其中应用最为广泛的求解方法是由Dommel于20世纪60年代提出的隐式梯形法，该方法具有A稳定性及二阶精度，电磁暂态商业软件如EMTP、PSCAD等均采用隐式梯形法的积分格式进行离散差分化。电力电子开关具有动作频率高、动作过程快的特点，当系统开关动作时拓扑结构发生改变，极可能产生一系列非原型数值振荡。依靠隐式梯形法算法自身是无法消除振荡的，这会对仿真结果的准确性和可信度产生不良影响。在定步长开关电路仿真中，需要解决两个问题：开关动作时刻电感、电压、电容、电流等非状态变量发生突变引起数值振荡;开关动作时刻不在整步长时刻，由于开关动作时刻判断延迟引入的数值冲击。在高频率动作的电力电子开关电路中，问题尤为显著。现有的解决数值振荡的思路方法通常有三类：1)在仿真模型中进行处理，通过增加虚拟电阻实现，不需要考虑仿真过程中算法和网络矩阵的切换。其中，典型的方法是增加阻尼元件来削弱数值振荡，其缺点是造成电力电子电路功率损失。 2)考虑数值算法的选择，在开关动作后，将算法切换到具有L⁃稳定的隐式欧拉法。已有研究证明L⁃稳定的数值方法具有阻尼特性，可以有效消除数值振荡。典型方法是临界阻尼法(CDA)，其缺点在于隐式欧拉法只有一阶精度，会产生较大的截断误差。 3)考虑通过插值方法准确定位开关动作时刻，回退到开关动作时刻重新仿真。典型方法有3次插值方法和FIRST插值方法，其缺点分别为：消除数值振荡效果不佳、适用性差，并且忽略了重新同步化过程。

安森美 (onsemi) 的 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 具超强开创性，用户可以在其中输入特定的寄生环境，创建定制的 PLECS 模型。打个比方，现成的西装不太可能完全合身，而 SSPMG 就像为您量身定做衣服的高级裁缝，可以根据具体应用来准确定制模型。

图 1：Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型自助生成工具

SSPMG 方法背后的核心思路其实很简单。它关注的重点不是安森美在实验室测得的结果，而是您环境中的具体应用。用户可以根据其各自的环境对模型进行微调，进而能够显著提高仿真的准确性。这种对定制性和准确性的重视不仅仅是一个理论概念，而是落实到了具体的解决方案上，能够输出切实可行的结果。业界纷纷意识到，通用模型存在明显的局限性，而针对不同需求采用定制化仿真有着巨大潜力。

安森美 SSPMG 仿真工具还支持用户根据电气偏压和温度条件定制数据密集的参数表。目标是确保表内数据点之间的插值准确，并尽可能地减少外推需求，因为外推常常会给系统仿真带来误差。

图 2：SSPMG 的特性之一：数据密集的损耗参数表

安森美开发的 SSPMG 工具包含了代表电子产品不同制造条件的“边界模型”。其中，阈值电压、RDSon、击穿电压、电容等参数，会因晶圆厂内的物理特性不同而有所差异。这会显著影响被测器件的能量损耗、导通损耗和温度行为，因而捕获这些相关的参数差异非常重要，尤其是在系统层面。

为此，安森美引入了适用于硬开关和软开关的 PLECS 模型，此外还可用于同步整流操作，并且仅针对主开关操作。PLECS 工具可以仿真各种软开关应用，包括 DC-DC LLC 和 CLLC 谐振、双有源桥及相移全桥拓扑。

软开关和硬开关

在电力电子领域，明确区分软开关和硬开关非常重要。对于硬开关，可借助双脉冲测试 (DPT) 来准确计算损耗。但是软开关的性能受拓扑和工作模式影响较大，所以双脉冲测试无法准确计算其具体损耗。

为了解决这个问题，SSPMG 使用新型转换损耗测试仪来准确计算一系列拓扑的能量损耗，包括相移全桥、DC-DC LLC 和 CLLC 谐振拓扑。这种专为软开关而设计的方法提升了常被业界忽视的软开关模型精度。如此一来，工程师能够获得设计方案的准确表示，从而避免不兼容仿真条件所引起的误差。借助我们的集成功能，无论采用何种开关拓扑，设计人员都能够使用准确的模型，进而能够确保仿真的精度。

图 3：SSPMG 的特性之一：软开关仿真

开关损耗测试

DPT 是测量半导体器件开关损耗的常用方法。该方法采用的特定步骤包括：首先，通过激活低边开关来引起电感电流，然后测量低边开关在某个电流点关断时的关断损耗。电感电流继续由高边二极管维持，由于压降很低且持续时间短，所以可认为电感电流保持恒定。最后，低边开关再次导通，故可使用与关断期间类似的电感电流来测量导通损耗。

无论设置中采用的是半桥还是四分之一桥，都会影响开关损耗，这主要是因为 SiC 肖特基二极管和 MOSFET 体二极管之间存在特性差异。这种配置称为“升压”型测试仪，会影响主开关损耗，因为高边开关/二极管中的反向恢复电流会影响导通时的低边开关损耗。

电感器的寄生电容和 PCB 漏感等外部因素会显著影响有源开关损耗。电感器的寄生电容会影响 Eon 和 Eoff，从而影响总体损耗。此外，PCB 漏感和用于减轻 EMI 的铁氧体磁珠等器件会改变开关环路的大小和性能，减慢电流爬坡并允许电压达到较低电平，从而影响损耗。

DPT 双脉冲测试仪可以有效测量损耗，甚至能为寄生元件影响非常小的电路提供高精度保障。虽然安森美的先进双脉冲测试仪可以出色地比较芯片尺寸和封装等组合要素，但必须注意的是，测试环境下的损耗与实际应用场景下的损耗可能并不一致。用户具体采用的寄生元件会大大影响实际损耗，因此为每个设计定制新的设置是不切实际的。

基于建模的仿真可以替代这种基于测量的资源密集、较为局限且复杂的方法。利用参数仿真和高度准确的仿真模型(如安森美的物理可扩展 SPICE 模型)，电力电子设计人员能够快速生成准确的损耗模型。这些仿真支持在单次运行中评估多个场景，与费力的测量技术相比，可以更快速、更经济地提供有价值的信息。

安森美的 SSPMG 包含 30 多个参数，可以对双脉冲或转换损耗测试仪的仿真原理图进行微调，进而提取 SiC MOSFET 的分立和功率模块损耗。这款功能全面的工具整合了多种应用阶段和场景，并支持修改栅极驱动电压，所以电力电子设计人员能够针对特定应用高效地生成高度准确的 PLECS 损耗模型。

图 4：双脉冲测试仪基本原理图

案例研究 - 直流快速充电桩

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 拥有出色的功能，能够显著缩短产品开发周期，尤其适用于需要优化设计时间线的领域，例如直流快速充电 (DCFC)。25 kW 直流快速充电是电动汽车充电基础设施的重要组成部分，其中的工具部署就是一个典型的例子。在此例中，仿真工具有效地促进了第一代与第三代碳化硅半桥模块的比较研究，准确预测了二者的效率差异，与实验结果非常吻合。

在电力电子和电路仿真领域，精度至关重要。仿真结果的真实性取决于各个器件所采用模型的准确性。无论是 IGBT、碳化硅 (SiC) 还是硅 MOSFET，仿真预测的可靠性与模型的精度密切相关。老话说得好，“垃圾进，垃圾出”，即如果输入的是垃圾，那么输出的也是垃圾。

设计人员根据产品手册中在实验室环境下测量出的器件特性(如导通损耗、能量损耗和热阻等)，构建系统级模型，大多数行业标准模型也都是如法炮制。然而，这些基于产品手册的模型是实验室配置和环境的产物，并不总能反映实际中遇到的各种条件。因此，不可想当然地认为这些来自产品手册的模型能够准确反映电力电子设计人员所面对的各种复杂寄生环境。