使用 MATLAB 和 Simscape Electrical 进行电力电子电路设计
Simscape Electrical 使工程师能够探索电路拓扑并进行组件选型，以及在设计的最早阶段进行有针对性的权衡研究以指导关键决策。通过访问制造商定义的零件库、组件导入功能以及广泛的电路元件库（包括电源、电气和机电负载、有源和无源组件、预建的转换器以及控制模板），设计探索变得快速而灵活。与 MATLAB 的直接集成使得能够在考虑变量和约束的情况下快速探索并缩小设计空间。
使用 MATLAB 和 Simscape Electrical，开发功率转换器和逆变器的工程师可以：
- 使用多种详细级别仿真电路，以进行权衡研究、初步分析和优化
- 捕获和管理系统需求，实现影响和覆盖率分析
- 执行热、机械和基于频率的分析
- 进行故障注入研究
- 使用预建的供应商零件库并与 SPICE 软件进行联合仿真及导出模型
使用 Simulink 进行系统级仿真使我们能够考虑更多设计方案并比较权衡，因此我们在项目的设计阶段投入了更多时间。这样做的好处是，我们在设计错误和集成问题更容易解决且成本更低的时候就发现了它们。
权衡研究、初步分析和优化
Simscape Electrical 为早期系统的功率转换器设计和权衡研究提供了两个关键优势：
- 直接的 MATLAB 集成，用于脚本编写、设计自动化和优化。这是自动化设计空间探索的理想选择。
- 对仿真细节的控制，从热相关的晶体管模型到对转换器开关和控制进行抽象的高级行为模型。
这些功能结合在一起创造了一个统一的环境，在这个环境中，自动化和模型逼真度可以根据项目需求量身定制。
使用 MATLAB 结合 Simscape Electrical 模型来驱动优化和权衡研究，在电路仿真期间解决多个目标。优先考虑成本、电能质量或带宽等因素，同时强制执行诸如最低效率或所需增益和相位裕度等硬约束。
- 应用离散和基于整数的优化，以确保选择真实的现成组件。
- 结合连续和离散约束来探索电路架构、组件值、控制方案等。
- 应用局部、全局和基于 AI 的优化策略，并利用实验设计 (DOE) 系统地涵盖所有感兴趣的电路参数。
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多个保真度级别
Simscape Electrical 提供不同模型详细级别的组件，以满足特定的设计标准。在同一工作流中进行系统级和详细的设计决策。
场景：
- 不带底层控制回路的成本和效率系统级分析
- 栅极驱动电阻整定以平衡效率与 EMI
电力电子半导体的保真度级别：
- 详细的非线性开关（类似 SPICE）：捕捉开启/关断动态特性和非线性。
- 开关线性器件：忽略详细的转换动态以快速探索开关效应，并通过使用预先计算的损耗表量化损耗。
- 平均值模型：专注于高阶系统动态，包括不连续导通模式 (DCM)。
多个模型保真度级别也适用于电池、电机、IC 等。选择合适的保真度对于利用可用数据构建有用模型至关重要，即使在某些细节未知时也能支持迭代设计。它还通过抽象化复杂性来加快模型的创建、维护和仿真。
理想开关 IGBT 模型的典型 i-v 特性。如果栅极-发射极电压超过指定的阈值电压 Vth，则 IGBT 处于导通状态。否则，该器件处于关断状态
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供应商部件 SPICE 网表和 XML 导入
Simscape Electrical 以三种方式支持制造商定义的组件建模：
- 基于数据手册的建模：当无法获得供应商提供的仿真模型且数据手册值足以进行系统级分析时，可使用制造商数据手册中的参数来配置 Simscape Electrical 库模块。
- 从仿真中提取参数：仿真制造商 SPICE 模型以提取关键参数（例如开关损耗、电容分布和热特性）以填充行为模型的查找表。该过程在使用内置 Simscape Electrical 库组件的同时再现了器件性能。
- SPICE 网表导入：使用包含非线性和 RLC 寄生参数的 SPICE 网表导入详细的制造商器件模型。
Simscape Electrical 包含来自 Infineon® 和 Wolfspeed 的组件数据，并提供工具在给定适当供应商数据的情况下为任何分立器件建立代表性模型。此功能可确保跨电气、热和控制域的一致、经过验证的建模。
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热和机械分析
封装和布局在功率转换器设计中至关重要。Simscape Electrical 在每个逼真度级别提供详细的损耗计算：
- 对于晶体管模型，开关损耗和导通损耗始终需要计算
- 使用分段线性模型以实现更快的仿真时，损耗从供应商表格中导入或由基于物理的晶体管模型自动生成，包括软开关场景
- 平均值和行为模型包含效率图谱以保持准确的热行为和电路效率
Simscape Electrical 通过 Cauer 和 Foster 网络提供热建模，能够进行传导、对流和辐射热传递的仿真。模型可以包含高级细节，例如液体冷却和两相冷却以及热交换器，让电路设计师能够在考虑主动冷却的功率需求的同时评估热提取策略。
在各种逼真度级别对机电组件（如电机和电磁阀）进行建模，范围从集总参数表示法到导入的 FEA 降阶模型 (ROM)。这些模型可以包含电机中常见的详细非线性行为，捕捉空间谐波和磁饱和等效应。根据需要添加热行为以支持跨电气和机械域的综合分析。
使用 Simscape Electrical，我们创建了一个连接电气和热领域的集成电源系统模型，因此我们可以在任务级仿真期间获得全局视图。如果我们需要对转动太阳能电池阵列的电机进行建模，我们也有能力集成这些机械组件。
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控制回路设计
在功率转换器开发中，补偿器回路和物理电路设计是耦合的，并将从联合开发中获益。Simulink 使工程师能够在设计初期探索这种相互作用，使用系统级仿真来应用经典和高级控制技术。
使用 Simulink，工程师可以：
- 在连续时间 (S) 和离散时间 (Z) 域中设计并评估控制系统
- 强制执行经典控制要求，例如带宽、扰动抑制、相位裕度和增益裕度
- 将频域目标与时域性能约束（如超调量和响应时间）结合起来
通过将控制设计与电路级建模相集成，工程师可以同时评估控制性能和硬件权衡，从而减少后期的设计更改并提高整个系统的稳健性。
故障注入
Simscape Electrical 组件允许进行故障建模、注入和分析。各个组件包含预定义故障，而专用的故障模块使用户可以在系统中的任何一点注入开路或短路。仿真标准、用户输入或特定的仿真时间可以触发故障。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。此功能具有可扩展性，可在需要时支持虚拟故障模式与影响分析 (FMEA)。
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基于频率的分析
Simscape Electrical 同时支持基于频率的分析和时域仿真。此功能对于研究电能质量、输入阻抗、噪声抑制和控制回路设计至关重要。当使用来自 Simscape Electrical 库的预建转换器模块时，可以很容易获得分析频率响应和传递函数，因为平均值模型已在模型中推导和集成。对于包含不连续性（无法使用平均值模型）的定制拓扑模型，可以使用 Simulink Control Design 中的频率响应辨识工具。这就消除了手动进行小信号分析或推导平均值模型的需要。将频率响应数据与控制和优化算法集成，或将其与系统辨识工具结合使用以生成降阶时域模型。无需手动进行数学分析。
精选示例
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- 使用 MATLAB 和 Simulink 进行电机驱动和牵引电机设计
- 使用 MATLAB 和 Simulink 进行电力变换控制
视频
- 使用 Simulink 进行 PMSM 的磁场定向控制 – 系列视频
- 如何在 Simulink 中开发直流-直流转换器控制 - 系列视频
需求可追溯性
MATLAB 和 Simulink 在结构化的硬件设计工作流中为需求可追溯性提供了一个综合环境，该环境旨在符合 ISO 26262 和 IEC 61508 等功能安全标准。使用 Simulink Requirements、Simulink Test 和 Simscape Electrical 建立数字线程，将基于文本的需求直接连接到电路模型、仿真和测试结果。
在没使用 Requirements Toolbox 之前，我们直到进入硬件测试阶段才能知道某项需求是否出了错。通过将需求连接到模型，我们理解了每项需求是如何实施的以及它们之间的关系。
