简介：早期仿真的重要性
在功率转换器和电机驱动设计中，早期阶段的决策对满足设计标准所需的时间和成本起着关键作用。在构建任何硬件之前，关于电路拓扑结构、元器件选型、控制策略和故障行为所做的选择，将决定整个项目的成本、性能和重新设计的风险。
数字仿真为工程师提供了一种做出这些决策的方法，同时为高效的早期功率转换器和电机驱动设计奠定了基础。
本白皮书分享了 MATLAB®、Simulink® 和 Simscape Electrical™ 如何为早期决策提供必要环境的见解。每个章节都针对早期硬件设计中的一项具体挑战，并探讨仿真驱动的分析如何在构建第一个原型之前降低风险。
降低功率转换器和电机驱动早期设计中的风险
在为功率转换器和电机驱动等基于电力电子的设备进行电路设计的初始阶段，工程团队需要使用能够提供多种功能的软件来探索设计空间。您希望能够轻松地进行更改以迭代初始概念、在硬件测试之前发现错误、开展成本与性能的权衡，并将电路作为真实系统的一部分加以探索。使用具备这些功能的软件进行早期设计，可确保在项目推进到硬件实现阶段时减少设计迭代和代价高昂的延误。
基于模型的多域仿真设计使工程师能够在功率转换器和电机驱动设计过程的早期做出最优且明智的决策。通过将仿真、分析和设计功能整合在单一环境中，这种方法使工程师能够系统地探索整个设计空间。工程师可以开展权衡研究，在同一个平台上应对多个且往往相互冲突的需求，例如控制回路设计、动态响应、热效应、电能质量、元器件选型和故障分析。
凭借对多个模型保真度层级和联合仿真功能的支持，Simscape Electrical 可集成到现有工作流中，提供比传统 EDA 工具或单独的电路仿真器更全面的方法。工程师可以探索拓扑结构和架构方案、确定元器件规格，并开展有针对性的权衡研究，从而为最早期阶段的关键决策提供依据。供应商定义的库、导入工具，以及包含电路元件、负载、预建转换器和控制模板的丰富库，使初始设计探索既快速又灵活。与 MATLAB 的直接集成能够快速探索并缩小设计空间，同时兼顾各种变量和约束条件。
电能质量、散热、系统效率和机械性能（包括电机动力学）等关键性能因素，均可在统一环境中进行分析，并具备需求跟踪和故障注入功能。这种集成方法可在进入详细设计之前建立起高度的信心。
Simscape Electrical 如何增强您的设计流程
Simscape Electrical 通过一套统一的功能应对一系列早期设计挑战，例如：
- 权衡研究、初步分析和优化
- 多个保真度级别
- 热分析和机械分析
- 故障注入
- 基于频率的分析
- 供应商元件库
- 控制回路设计
- 需求可追溯性
- 联合仿真和模型导出
权衡研究、初步分析和优化
Simscape Electrical 为系统化的转换器设计和早期权衡研究提供了两大关键优势。首先，它与 MATLAB 的直接集成提供了可用于自动化设计空间探索的脚本编写、设计和优化工具。其次，工程师可以控制仿真的细节程度，从使用随温度变化的晶体管，到用高级行为模型将转换器抽象化。这些功能共同构建了一个统一的环境，其中自动化程度和模型保真度可根据每个项目的具体需求进行定制。
由 MATLAB 驱动的优化和权衡研究，利用 Simscape Electrical 模型同时应对多个目标和需求。可以对成本、电能质量或带宽等目标进行优先级排序和加权，同时自动强制执行硬性约束（例如最低效率或所需的增益/相位裕度）。这些约束条件可自定义，并且可以单独或综合地加以探索，以了解它们对转换器设计的影响。
MATLAB 支持局部、全局和基于 AI 的优化，并提供用于生成试验设计的工具，以系统地覆盖整个设计空间。
此类分析的一项关键技术优势在于支持离散和基于整数的优化，以及机器学习方法。这样便可选择真实的、现成的元器件（例如选用标准的 1000 欧姆电阻，而非不切实际的 1004.2 欧姆），从而确保最终设计既最优又可制造。无论是连续的还是离散的约束条件和优化目标，都可用于自动化探索架构、元器件参数值、控制方案等。MATLAB 支持局部、全局和基于 AI 的优化，并提供用于生成试验设计的工具，以系统地覆盖整个设计空间。
丰富的行为模型、示例项目和控制模板可加速探索性模型的构建，通过抽象掉不必要的细节，便于在设计早期阶段进行有意义的分析和比较。这种方法能够做出兼顾全部系统需求的高质量决策，从而提高设计成功的可能性。重要的是，这些相同的方法也可应用于更成熟的设计，以进行微调和进一步优化。
三相大功率转换器设计和分析工作流图。
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多个保真度层级：简化模型的创建与维护
Simscape Electrical 灵活的建模功能使工程师能够在抽象掉不必要细节的同时，满足特定的设计标准。这种用户可自定义的灵活性意味着，系统级和详细设计层面的决策都可以在同一个工作流中完成。例如，您可以在不对底层控制回路建模的情况下，分析配电系统的成本和效率，或者评估栅极驱动电阻，以探索效率与 EMI 之间的权衡。Simscape Electrical 库包含各种保真度层级的预建模型，以及大量示例和模板，可快速组装出针对您任务量身定制的仿真。
从本质上讲，Simscape Electrical 的适用范围从具有热相关参数和复杂非线性特性的详细晶体管模型，一直扩展到甚至能够抽象转换器控制回路的高级行为模型。常见的保真度层级包括：
- 详细的非线性开关（类 SPICE 模型）
- 开关线性器件（保留开关效应和损耗，但忽略开通动态过程）
- 平均模型（专注于高阶系统动力学，包括断续模式）
这种方法不仅适用于晶体管，也适用于电池、电机、IC 等。选择合适保真度的能力，对于利用现有数据构建有用的模型至关重要，即使某些细节未知，也能支持迭代设计。它还通过抽象掉不必要的复杂性，简化了模型的创建、维护和仿真。
栅极驱动器的详细示意图。
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热分析和机械分析：评估损耗和冷却策略
封装和布局是转换器设计中的关键考量因素。Simscape Electrical 可在每个保真度层级上提供详细的损耗计算。对于传统的晶体管模型，开关损耗和导通损耗始终都会被计算。在使用分段线性模型以加快仿真速度时，损耗可以从供应商提供的表格中填充，或由 Simscape 根据详细的开关模型自动生成，其中包括软开关场景。平均模型和行为模型可以纳入效率图，以确保准确的热行为和电路效率。
Simscape Electrical 可在每个保真度层级上提供详细的损耗计算。
虽然了解热损耗和效率至关重要，但通常还需要从完整的系统视角出发，才能确保有效的散热。Simscape Electrical 支持 Cauer 和 Foster 网络等传统热建模方法，能够在热域内对传导、对流和辐射传热进行仿真。这些模型可以包含液冷和两相冷却以及热交换器等高级细节，使设计人员能够在考虑有源冷却系统额外功率需求的同时，评估散热策略。
电机和螺线管等机械部件，也可以在多个保真度层级上进行建模。这些模型从简单的集总参数模型，到从 FEA 工具导入的详细非线性模型，可捕捉空间谐波和饱和等效应。可以根据需要纳入热行为，从而支持对电气和机械两方面进行全面分析。
内置的主动式故障注入
Simscape Electrical 具备用于故障建模、注入和分析的内置工具。各个元件都包含预定义的故障，而专用的故障模块则允许用户在系统的任意位置注入开路或短路。故障可以由仿真条件、用户输入或特定的仿真时刻触发。因为仿真环境将这些行为识别为故障，所以所有故障场景都可以通过专用的故障窗口进行管理，从而实现系统、彻底的虚拟故障评估。在需要时，此功能可以扩展，以支持虚拟失效模式与影响分析 (FMEA)。
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面向电气性能和控制特性的基于频率的分析
Simscape Electrical 支持在时域仿真之外进行基于频率的分析，这对于研究电能质量、输入阻抗、噪声抑制和控制回路设计至关重要。在使用 Simscape Electrical 库中的预建转换器模块时，可以轻松获得解析的频率响应和传递函数，因为平均模型已在底层推导并集成。借助内置的频率响应分析工具，这些功能可扩展到所有自定义建模的拓扑结构，无论其保真度如何。这消除了手动进行小信号分析或平均模型推导的需要。
频率响应数据可以与控制和优化算法集成，或与系统辨识工具结合使用，以生成降阶时域模型，且无需手动进行数学分析。
升压转换器的频率分析。
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供应商元件：集成来自 Hitachi、Infineon、Wolfspeed 及其他供应商的模型
Simscape Electrical 通过多种集成方法支持供应商定义的元件建模：
- 基于数据手册的建模：当供应商未提供仿真模型、而数据手册数值足以用于系统级分析时，可以将供应商数据手册中的参数进行结构化处理，以配置预定义的元件模块。
- 从仿真中提取参数：可以对供应商的 SPICE 模型进行仿真，以提取开关损耗、电容特性曲线和热特性等关键参数，然后用这些参数填充行为模型的查找表。
- SPICE 网表导入：Simscape Electrical 可以使用包含非线性特性和寄生参数的 SPICE 网表，导入详细的供应商器件模型。
Simscape Electrical 包含来自 Hitachi、Infineon 和 Wolfspeed 等制造商的元件数据，并提供相应工具，在具备适当供应商数据的情况下，为任何分立器件构建具有代表性的模型。这确保了在电气域、热域和控制域之间进行一致且经过验证的建模。
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控制回路设计：从一开始就优化控制带宽
Simulink 支持经典和先进的控制方法，包括模型预测控制和机器学习。它支持并行的控制设计与优化，使工程师能够应对相互冲突的标准，并实现高度优化的性能。
Simulink 支持在 S 域和 Z 域中进行回路设计，提供波特图、奈奎斯特图和阶跃响应图等标准可视化图形，以及用于零极点分析和配置的工具。传统的控制标准可以与额外的定量性能指标相结合，例如，可以对控制器进行调节，使其在保证稳定性和带宽的同时，还能限制启动期间的电流过冲。
Simulink 支持在 S 域和 Z 域中进行回路设计，提供波特图、奈奎斯特图和阶跃响应图等标准可视化图形，以及用于零极点分析和配置的工具。
Simulink 还提供了一系列控制策略，从稳健控制器和模糊逻辑控制器，到先进的电机驱动方法（例如锁相环、Clarke 和 Park 变换、磁场定向控制、直接转矩控制和 BLDC 换相）。对于公用事业和并网系统，Simulink 提供用于最大功率点跟踪、逆变器资源管理、基于导纳的稳定性、构网型控制等的工具。
在磁场定向控制中集成模型预测控制器，以增强电机控制。
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需求可追溯性：符合 ISO 26262 和 IEC 61508 标准
需求可追溯性对于结构化的硬件设计工作流至关重要，尤其是在 ISO 26262 和 IEC 61508 等标准下，这些标准强制要求对从需求到实现的整个过程进行跟踪。在早期遗漏某项需求，可能会在后期导致代价高昂的返工。
Simscape Electrical 与 Simulink 产品系列相集成，支持全面的需求管理和验证。工程师可以将电路模型直接关联到文本需求，并执行正式的基于需求的测试，从而支持针对既定规范的合规性和验证。
这种统一的环境实现了跨建模、仿真和测试的可追溯性，将需求与设计工件、仿真结果和测试覆盖率关联起来。这种方法支持设计评审、认证流程和变更影响分析，确保从概念到实现的整个过程都实现稳健、符合标准的设计。
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用于 HIL 测试的联合仿真和模型导出
Simscape Electrical 能够融入现有的硬件设计工作流，这些工作流通常包含用于生成最终设计文件的 EDA 和布局工具。为支持这种集成，MathWorks 提供了联合仿真和模型导出功能，使其能够在众多设计环境中得到采用。
被控对象模型可以导出为 C 和 HDL/Verilog 代码，用于电力系统和转换器的硬件在环 (HIL) 测试。
Simscape Electrical 支持与 PSpice® 和 SIMetrix 等电路仿真工具进行联合仿真，使工程师能够同时发挥不同平台的优势。在需要时，此功能还可扩展到与多物理场引擎和 EDA 工具的集成，以进行更高保真度的建模，例如 FEA 分析。
在导出方面，被控对象模型可以导出为 C 和 HDL/Verilog 代码，用于电力系统和转换器的硬件在环 (HIL) 测试。这些模型还可以导出以供 EDA 工具使用，与 SystemVerilog 集成，并使在 Simscape Electrical 中创建的模型能够在 EDA 环境中运行。
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结束语
降低功率转换器和电机驱动早期设计中的风险，归根结底在于可见性，即在设计决策变得代价高昂、不可逆转或不安全之前，就能看清其后果。本文所述的工作流展示了基于模型的多域仿真环境如何帮助工程师探索更多想法、更早验证假设，并更有信心地收敛到稳健的设计上。借助 MATLAB、Simulink 和 Simscape Electrical，他们可以使用与供应商特性一致的元器件来开展权衡研究、热分析、故障分析和机械分析、基于频率的评估，以及控制回路开发。
