电力电子系统的设计涉及电路和控制算法。而提高功率密度和效率的目标促使人们开发出新的功率转换拓扑的开发。此外，使用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体可实现更快的开关频率和转换速率，同时具有更低的寄生效应。精确的建模和仿真是所有新转换器设计的重要环节，特别是在使用WBG的应用中，更高的开关频率和转换速率带来了更高的效率，但也需要更多地关注瞬态和热性能。在本文中，我们将探讨仿真工具SIMBA的一些功能，可满足开发电源转换器的关键要求。
模型是器件行为的代表。其目的是预测该器件在特定电路(例如电源转换器)中使用时所呈现的静态、动态、瞬态、热效应和EMI效应。可以确定诸如功耗、过冲电压、电流、达到稳定电压的时间等重要指标。半导体器件制造商通常会在其网站上提供免费的器件模型。考虑到了器件在整个工作范围内的物理行为的详细模型可以准确预测其性能，但通常仿真时间长得令人无法接受，尤其是在复杂电路中使用时。在电力电子系统中，简化的器件模型可以缩短仿真时间，例如分段线性模型，在这种模型的开关事件中开关被视为一个理想器件。此类模型通常可在SIMBA等仿真程序的元器件库中找到。随后可以使用这些器件模型以合理的仿真精度和仿真时间对控制回路进行仿真。
使用器件性能经过测量的预测模型，可以提高非线性和相关影响(例如热阻和结温)的精确度。有时可以通过将电容器或电阻器等附加元件与有源开关串联或并联来表示这种性能，而这些元件遵循特定的性能，例如电压和温度。我们的目标是在不对仿真时间造成重大影响的情况下，创建非线性事件的分段线性近似。因此，仿真软件供应商需要为用户提供灵活性，使其能够利用器件制造商或终端用户的数据来增强其库中的简单器件模型。
SIMBA由Powersys开发的，大约发布于两年前，是一种用于电力电子电路的预测时间步求解器(predictive time-step solver)。它能找到并使用最佳时间步长查找器(OTSF)来仿真系统的时间常数和事件，而不会影响其精度。OTSF算法在瞬态仿真开始时和每次开关事件后调用。通过与主求解器并行运行的下一个不连续事件时间估计器(NDETE)，可以提高开关事件等不连续事件的时间精度。求解器中采用稀疏矩阵的改进节点分析法使计算时间随节点数量线性增长(而不是像其他仿真工具那样呈二次曲线增长)，因此即使是复杂的转换器拓扑结构也能实现快速仿真。
图1显示了转换器设计所需的全套仿真。SIMBA平台目前能够仿真系统和控制设计功能。
图1：电源转换器设计所需的全方位仿真和代码开发，SIMBA目前可以满足系统和控制设计的需求(来源：Powersys)
2023年，SIMBA增加了多项新功能，例如多时间步长求解器、在线工具版本、改进的电机模型和FFT计算。图2显示了SIMBA提供的全面功能集。
图2：SIMBA提供的功能集(来源：Powersys)
SIMBA的独特功能之一就是用户能够使用Python创建脚本代码，并可以使用大量预置的库和模块。日常任务可以实现自动化，从而减少人为错误。Python中的工具(例如NumPy和Matplotlib)可用于数值计算和数据可视化。aesim.simba SIMBA Python库让用户可以在不使用SIMBA Desktop的情况下运行仿真。在线版本的添加为用户提供了三种不同的方式来运行SIMBA平台的仿真(桌面、aesim.simba以及在线)。在Python脚本的帮助下，参数分析和敏感性分析等重要功能可以自动执行。版本控制和可共享性是aesim.simba的固有特性，用户可在GitHub库中找到许多示例。
图3显示了一个简单的DC-DC降压转换器的原理图。使用器件制造商提供的热描述文件在SIMBA中执行瞬态仿真。这样就可以对本应用中开关所用的多个英飞凌IGBT的损耗和结温进行即时比较。
图3：通过SIMBA仿真对降压转换器中使用的IGBT进行损耗和结温比较(来源：Powersys)
图4(a)显示了在SIMBA上仿真的反激式转换器的原理图。图4(b)所示的瞬态响应结果是在约100ms内仿真得出的，并显示在启动后0.3ms左右实现了稳定电压。
图4：(a)在SIMBA上仿真的反激转换器原理图，(b)输出电压的瞬态响应(来源：Powersys)
电动汽车(EV)牵引逆变器是使用SiC开关器件来提高效率、功率密度和热性能(尤其是在轻负载“巡航”时)的典型示例。功率转换效率取决于电机负载条件。图5显示了在三相逆变器上执行的仿真：Vbus电压为450V，逆变器开关频率为50kHz，示例中使用的Wolfspeed SiC MOSFET表面温度为80°C。如图所示，改变电机扭矩和转速，可获得效率二维图。
图5：基于SiC MOSFET的牵引逆变器的原理图，以及仿真效率与电机扭矩和速度的函数关系(来源：Powersys)
该公司计划加强和改进未来SIMBA版本中提供的仿真套件。其中包括：
添加磁性和EMI性能仿真
为MOSFET和IGBT等有源器件提供更详细的模型选项，包括SPICE模型兼容性。
Powersys营销总监Frederique Peyret表示：“我们很高兴能够提供一个具有Python脚本功能的电力电子仿真平台。即使对于复杂的参数化仿真，SIMBA平台也能在不影响精度的情况下实现快速仿真。”
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Power Electronics Simulations Help Speed Converter Prototyping，由Ricardo Xie编译。)
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