引 言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源和微電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的大規(guī)模接入，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出電力電子化趨勢。在電磁暫態(tài)仿真計(jì)算中，針對不同的仿真對象以及不同的仿真精度要求，使用的數(shù)值計(jì)算方法不盡相同 。其中應(yīng)用最為廣泛的求解方法是由Dommel于20世紀(jì)60年代提出的隱式梯形法，該方法具有A穩(wěn)定性及二階精度，電磁暫態(tài)商業(yè)軟件如EMTP、PSCAD等均采用隱式梯形法的積分格式進(jìn)行離散差分化。電力電子開關(guān)具有動作頻率高、動作過程快的特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)開關(guān)動作時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，極可能產(chǎn)生一系列非原型數(shù)值振蕩。依靠隱式梯形法算法自身是無法消除振蕩的，這會對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度產(chǎn)生不良影響。在定步長開關(guān)電路仿真中，需要解決兩個(gè)問題：開關(guān)動作時(shí)刻電感、電壓、電容、電流等非狀態(tài)變量發(fā)生突變引起數(shù)值振蕩;開關(guān)動作時(shí)刻不在整步長時(shí)刻，由于開關(guān)動作時(shí)刻判斷延遲引入的數(shù)值沖擊。在高頻率動作的電力電子開關(guān)電路中，問題尤為顯著。現(xiàn)有的解決數(shù)值振蕩的思路方法通常有三類：1)在仿真模型中進(jìn)行處理，通過增加虛擬電阻實(shí)現(xiàn)，不需要考慮仿真過程中算法和網(wǎng)絡(luò)矩陣的切換。其中，典型的方法是增加阻尼元件來削弱數(shù)值振蕩，其缺點(diǎn)是造成電力電子電路功率損失。 2)考慮數(shù)值算法的選擇，在開關(guān)動作后，將算法切換到具有L?穩(wěn)定的隱式歐拉法。已有研究證明L?穩(wěn)定的數(shù)值方法具有阻尼特性，可以有效消除數(shù)值振蕩。典型方法是臨界阻尼法(CDA)，其缺點(diǎn)在于隱式歐拉法只有一階精度，會產(chǎn)生較大的截?cái)嗾`差。 3)考慮通過插值方法準(zhǔn)確定位開關(guān)動作時(shí)刻，回退到開關(guān)動作時(shí)刻重新仿真。典型方法有3次插值方法和FIRST插值方法，其缺點(diǎn)分別為：消除數(shù)值振蕩效果不佳、適用性差，并且忽略了重新同步化過程。

安森美 (onsemi) 的 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 具超強(qiáng)開創(chuàng)性，用戶可以在其中輸入特定的寄生環(huán)境，創(chuàng)建定制的 PLECS 模型。打個(gè)比方，現(xiàn)成的西裝不太可能完全合身，而 SSPMG 就像為您量身定做衣服的高級裁縫，可以根據(jù)具體應(yīng)用來準(zhǔn)確定制模型。

圖 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實(shí)很簡單。它關(guān)注的重點(diǎn)不是安森美在實(shí)驗(yàn)室測得的結(jié)果，而是您環(huán)境中的具體應(yīng)用。用戶可以根據(jù)其各自的環(huán)境對模型進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而能夠顯著提高仿真的準(zhǔn)確性。這種對定制性和準(zhǔn)確性的重視不僅僅是一個(gè)理論概念，而是落實(shí)到了具體的解決方案上，能夠輸出切實(shí)可行的結(jié)果。業(yè)界紛紛意識到，通用模型存在明顯的局限性，而針對不同需求采用定制化仿真有著巨大潛力。

安森美 SSPMG 仿真工具還支持用戶根據(jù)電氣偏壓和溫度條件定制數(shù)據(jù)密集的參數(shù)表。目標(biāo)是確保表內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的插值準(zhǔn)確，并盡可能地減少外推需求，因?yàn)橥馔瞥３o系統(tǒng)仿真帶來誤差。

圖 2：SSPMG 的特性之一：數(shù)據(jù)密集的損耗參數(shù)表

安森美開發(fā)的 SSPMG 工具包含了代表電子產(chǎn)品不同制造條件的“邊界模型”。其中，閾值電壓、RDSon、擊穿電壓、電容等參數(shù)，會因晶圓廠內(nèi)的物理特性不同而有所差異。這會顯著影響被測器件的能量損耗、導(dǎo)通損耗和溫度行為，因而捕獲這些相關(guān)的參數(shù)差異非常重要，尤其是在系統(tǒng)層面。

為此，安森美引入了適用于硬開關(guān)和軟開關(guān)的 PLECS 模型，此外還可用于同步整流操作，并且僅針對主開關(guān)操作。PLECS 工具可以仿真各種軟開關(guān)應(yīng)用，包括 DC-DC LLC 和 CLLC 諧振、雙有源橋及相移全橋拓?fù)洹?

軟開關(guān)和硬開關(guān)

在電力電子領(lǐng)域，明確區(qū)分軟開關(guān)和硬開關(guān)非常重要。對于硬開關(guān)，可借助雙脈沖測試 (DPT) 來準(zhǔn)確計(jì)算損耗。但是軟開關(guān)的性能受拓?fù)浜凸ぷ髂Ｊ接绊戄^大，所以雙脈沖測試無法準(zhǔn)確計(jì)算其具體損耗。

為了解決這個(gè)問題，SSPMG 使用新型轉(zhuǎn)換損耗測試儀來準(zhǔn)確計(jì)算一系列拓?fù)涞哪芰繐p耗，包括相移全橋、DC-DC LLC 和 CLLC 諧振拓?fù)?。這種專為軟開關(guān)而設(shè)計(jì)的方法提升了常被業(yè)界忽視的軟開關(guān)模型精度。如此一來，工程師能夠獲得設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確表示，從而避免不兼容仿真條件所引起的誤差。借助我們的集成功能，無論采用何種開關(guān)拓?fù)洌O(shè)計(jì)人員都能夠使用準(zhǔn)確的模型，進(jìn)而能夠確保仿真的精度。

圖 3：SSPMG 的特性之一：軟開關(guān)仿真

開關(guān)損耗測試

DPT 是測量半導(dǎo)體器件開關(guān)損耗的常用方法。該方法采用的特定步驟包括：首先，通過激活低邊開關(guān)來引起電感電流，然后測量低邊開關(guān)在某個(gè)電流點(diǎn)關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷損耗。電感電流繼續(xù)由高邊二極管維持，由于壓降很低且持續(xù)時(shí)間短，所以可認(rèn)為電感電流保持恒定。最后，低邊開關(guān)再次導(dǎo)通，故可使用與關(guān)斷期間類似的電感電流來測量導(dǎo)通損耗。

無論設(shè)置中采用的是半橋還是四分之一橋，都會影響開關(guān)損耗，這主要是因?yàn)?SiC 肖特基二極管和 MOSFET 體二極管之間存在特性差異。這種配置稱為“升壓”型測試儀，會影響主開關(guān)損耗，因?yàn)楦哌呴_關(guān)/二極管中的反向恢復(fù)電流會影響導(dǎo)通時(shí)的低邊開關(guān)損耗。

電感器的寄生電容和 PCB 漏感等外部因素會顯著影響有源開關(guān)損耗。電感器的寄生電容會影響 Eon 和 Eoff，從而影響總體損耗。此外，PCB 漏感和用于減輕 EMI 的鐵氧體磁珠等器件會改變開關(guān)環(huán)路的大小和性能，減慢電流爬坡并允許電壓達(dá)到較低電平，從而影響損耗。

DPT 雙脈沖測試儀可以有效測量損耗，甚至能為寄生元件影響非常小的電路提供高精度保障。雖然安森美的先進(jìn)雙脈沖測試儀可以出色地比較芯片尺寸和封裝等組合要素，但必須注意的是，測試環(huán)境下的損耗與實(shí)際應(yīng)用場景下的損耗可能并不一致。用戶具體采用的寄生元件會大大影響實(shí)際損耗，因此為每個(gè)設(shè)計(jì)定制新的設(shè)置是不切實(shí)際的。

基于建模的仿真可以替代這種基于測量的資源密集、較為局限且復(fù)雜的方法。利用參數(shù)仿真和高度準(zhǔn)確的仿真模型(如安森美的物理可擴(kuò)展 SPICE 模型)，電力電子設(shè)計(jì)人員能夠快速生成準(zhǔn)確的損耗模型。這些仿真支持在單次運(yùn)行中評估多個(gè)場景，與費(fèi)力的測量技術(shù)相比，可以更快速、更經(jīng)濟(jì)地提供有價(jià)值的信息。

安森美的 SSPMG 包含 30 多個(gè)參數(shù)，可以對雙脈沖或轉(zhuǎn)換損耗測試儀的仿真原理圖進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而提取 SiC MOSFET 的分立和功率模塊損耗。這款功能全面的工具整合了多種應(yīng)用階段和場景，并支持修改柵極驅(qū)動電壓，所以電力電子設(shè)計(jì)人員能夠針對特定應(yīng)用高效地生成高度準(zhǔn)確的 PLECS 損耗模型。

圖 4：雙脈沖測試儀基本原理圖

案例研究 - 直流快速充電樁

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 擁有出色的功能，能夠顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，尤其適用于需要優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間線的領(lǐng)域，例如直流快速充電 (DCFC)。25 kW 直流快速充電是電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其中的工具部署就是一個(gè)典型的例子。在此例中，仿真工具有效地促進(jìn)了第一代與第三代碳化硅半橋模塊的比較研究，準(zhǔn)確預(yù)測了二者的效率差異，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

在電力電子和電路仿真領(lǐng)域，精度至關(guān)重要。仿真結(jié)果的真實(shí)性取決于各個(gè)器件所采用模型的準(zhǔn)確性。無論是 IGBT、碳化硅 (SiC) 還是硅 MOSFET，仿真預(yù)測的可靠性與模型的精度密切相關(guān)。老話說得好，“垃圾進(jìn)，垃圾出”，即如果輸入的是垃圾，那么輸出的也是垃圾。

設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品手冊中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測量出的器件特性(如導(dǎo)通損耗、能量損耗和熱阻等)，構(gòu)建系統(tǒng)級模型，大多數(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型也都是如法炮制。然而，這些基于產(chǎn)品手冊的模型是實(shí)驗(yàn)室配置和環(huán)境的產(chǎn)物，并不總能反映實(shí)際中遇到的各種條件。因此，不可想當(dāng)然地認(rèn)為這些來自產(chǎn)品手冊的模型能夠準(zhǔn)確反映電力電子設(shè)計(jì)人員所面對的各種復(fù)雜寄生環(huán)境。