Design de circuits de conversion de puissance avec MATLAB et Simscape Electrical

Introduction : L'importance de la simulation en phase initiale

Les décisions prises dès les premières étapes lors du design des convertisseurs de puissance et des entraînements moteurs jouent un rôle déterminant dans le temps et le coût nécessaires pour satisfaire aux critères de design. Les choix effectués concernant les topologies de circuit, la sélection des composants, la stratégie de contrôle et le comportement en cas de défaut avant la construction de tout hardware définiront les coûts, les performances et le risque de refonte pour l'ensemble du projet.

La simulation numérique offre aux ingénieurs un moyen de prendre ces décisions, tout en posant, à un stade précoce, les bases d'un design efficace des convertisseurs de puissance et des entraînements moteurs.

Ce livre blanc partage des informations sur la manière dont MATLAB^®, Simulink^® et Simscape Electrical™ offrent l'environnement nécessaire à la prise de décision en phase initiale. Chaque section aborde un défi spécifique dans le design hardware en phase initiale et explique comment l'analyse pilotée par simulation réduit les risques avant la construction du premier prototype.

Réduire les risques lors du design, en phase initiale, des convertisseurs de puissance et des entraînements de moteurs

Lors des premières étapes du design de circuits pour des dispositifs basés sur l'électronique de puissance, tels que les convertisseurs de puissance et les entraînements de moteurs, les équipes d'ingénierie doivent utiliser un logiciel qui propose de multiples capacités pour explorer l'espace de design. Vous souhaitez effectuer des itérations sur les concepts initiaux, détecter les erreurs avant les tests hardware, réaliser des compromis entre coûts et performances, et explorer le circuit dans le cadre d'un système réaliste. Le design, en phase initiale, à l’aide d’un logiciel doté de ces capacités permet de réduire le nombre d’itérations de design et d’éviter des retards coûteux lors du passage à la phase d'implémentation hardware du projet.

Le design de simulation multidomaine basée sur un modèle permet aux ingénieurs de prendre des décisions optimales et éclairées, dès les premières étapes du processus de design du convertisseur de puissance et de l'entraînement moteur. En combinant les fonctionnalités de simulation, d'analyse et de design dans un environnement unique, cette approche permet aux ingénieurs de parcourir systématiquement l'ensemble de l'espace de design. Les ingénieurs peuvent réaliser des études de compromis qui prennent en compte plusieurs exigences souvent concurrentes, telles que le design de la boucle de contrôle, la réponse dynamique, les effets thermiques, la qualité de l'alimentation, la sélection des composants et l'analyse des défauts, le tout au sein d'une seule plateforme.

Avec le support de plusieurs niveaux de fidélité des modèles et des capacités de cosimulation, Simscape Electrical s'intègre dans les workflows existants, offrant une approche plus complète que les outils EDA traditionnels ou les simulateurs de circuits seuls. Les ingénieurs peuvent explorer les options de topologie et d'architecture, dimensionner les composants et réaliser des études de compromis ciblées afin d'éclairer les décisions critiques dès les premières étapes. Les bibliothèques définies par les fabricants, les outils d'importation et une vaste bibliothèque d'éléments de circuit, de charges, de convertisseurs prédéfinis et de modèles de contrôle rendent l'exploration initiale du design rapide et flexible. L'intégration directe avec MATLAB permet une exploration rapide et un affinage de l'espace de design, en tenant compte d'une large plage de variables et de contraintes.

Les facteurs clés de performance, tels que la qualité de l'alimentation, la dissipation thermique, l'efficacité du système et la performance mécanique (y compris la dynamique du moteur), peuvent tous être analysés dans un environnement unifié, avec des capacités de suivi des exigences et d'injection de défauts. Cette approche intégrée renforce la confiance dans les choix de design avant de passer au design détaillée.

Comment Simscape Electrical améliore votre processus de design

Simscape Electrical répond à un large éventail de défis rencontrés dès les premières phases de design grâce à un ensemble unifié de fonctionnalités, telles que :

• Études de compromis, analyse préliminaire et optimisation
• Plusieurs niveaux de fidélité
• Analyse thermique et mécanique
• Injection de défauts
• Analyse fréquentielle
• Bibliothèques de composants de fabricants
• Design de boucle de contrôle
• Traçabilité des exigences
• Cosimulation et exportation de modèle

Études de compromis, analyse préliminaire et optimisation

Simscape Electrical offre deux avantages clés pour le design systématique des convertisseurs de puissance et les études de compromis en phase initiale. Premièrement, son intégration directe avec MATLAB donne accès à des outils de script, de design et d'optimisation pour l'exploration automatisée de l'espace de design. Deuxièmement, les ingénieurs ont le contrôle sur le niveau de détail de la simulation, allant de l'utilisation de transistors dépendants de la température à l'abstraction des convertisseurs avec des modèles comportementaux de haut niveau. Ensemble, ces fonctionnalités créent un environnement unifié où le niveau d'automatisation et la fidélité du modèle peuvent être adaptés aux exigences spécifiques de chaque projet. 

L'optimisation pilotée par MATLAB et les études de compromis exploitent les modèles Simscape Electrical pour répondre simultanément à plusieurs objectifs et exigences. Des objectifs tels que le coût, la qualité de l'alimentation ou la bande passante peuvent être priorisés et pondérés, tandis que des contraintes strictes (comme l'efficacité minimale ou la marge de gain/de phase requise) sont appliquées automatiquement. Ces contraintes sont personnalisables et peuvent être explorées individuellement ou collectivement afin de comprendre leur impact sur le design du convertisseur.

Un avantage technique majeur pour ce type d'analyse réside dans le support de l'optimisation discrète et basée sur les entiers, ainsi que des techniques de Machine Learning. Cela permet la sélection de composants réels, disponibles dans le commerce (comme choisir une résistance standard de 1000 ohms au lieu d'une résistance impraticable de 1004,2 ohms), garantissant que le design final soit à la fois optimal et manufacturable. Les contraintes et les objectifs d'optimisation, qu'ils soient continus ou discrets, peuvent être utilisés pour automatiser l'exploration des architectures, des valeurs des composants, des schémas de contrôle, et plus encore. MATLAB supporte l'optimisation locale, globale et basée sur l'IA, et propose des outils pour générer un plan d'expériences afin de couvrir systématiquement l'espace de design.

Des modèles comportementaux étendus, des projets d'exemple et des modèles de contrôle accélèrent la construction de modèles exploratoires, en faisant abstraction des détails inutiles pour faciliter une analyse et une comparaison significatives aux premières étapes du design. Cette approche permet de prendre des décisions de haute qualité qui tiennent compte de l'ensemble des exigences du système, augmentant ainsi la probabilité de succès du design. Il est important de noter que ces mêmes méthodes peuvent être appliquées à des designs plus matures pour un ajustement fin et une optimisation supplémentaire.

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Plusieurs niveaux de fidélité : rationalisation de la création et de la maintenance des modèles

Les capacités de modélisation flexibles de Simscape Electrical permettent aux ingénieurs de répondre à des critères de design spécifiques tout en faisant abstraction des détails inutiles. Cette flexibilité personnalisable par l'utilisateur signifie que les décisions de design, tant au niveau système que dans les détails, peuvent être prises au sein du même workflow. Par exemple, vous pourriez analyser un système de distribution d'énergie en termes de coût et d'efficacité sans modélisation des boucles de contrôle de bas niveau, ou évaluer la résistance de la commande de porte pour explorer le compromis entre efficacité et EMI. Les bibliothèques Simscape Electrical comprennent des modèles prédéfinis à différents niveaux de fidélité, ainsi que de nombreux exemples et modèles pour assembler rapidement des simulations adaptées à votre tâche.

Simscape Electrical couvre un large éventail de niveaux d'abstraction, depuis des modèles détaillés de transistors prenant en compte les effets thermiques et les non-linéarités complexes jusqu'à des modèles comportementaux de haut niveau pouvant représenter un convertisseur sans modéliser explicitement sa boucle de commande. Les niveaux de fidélité courants incluent :

• Commutateurs non linéaires détaillés (modèles de type SPICE)
• Dispositifs linéaires commutés (conservant les effets et pertes de commutation, mais ignorant la dynamique de mise sous tension)
• Modèles moyens (se concentrant sur la dynamique des systèmes d'ordre supérieur, y compris le mode discontinu)

Cette approche s'applique non seulement aux transistors, mais aussi aux batteries, moteurs, IC, et plus encore. La capacité à choisir la fidélité appropriée est essentielle pour construire des modèles utiles avec les données disponibles, en supportant un design itératif même lorsque certains détails sont inconnus. Cela rationalise également la création, la maintenance et la simulation des modèles en faisant abstraction de la complexité inutile.

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Analyse thermique et mécanique : évaluation des pertes et des stratégies de refroidissement

L’intégration et l’agencement sont essentiels dans le design des convertisseurs de puissance. Simscape Electrical propose des calculs détaillés des pertes à chaque niveau de fidélité. Pour les modèles de transistors classiques, les pertes de commutation et de conduction sont toujours calculées. Lors de l'utilisation de modèles linéaires par morceaux pour une simulation plus rapide, les pertes peuvent être renseignées à partir de tables fournies par le fabricant ou générées automatiquement par Simscape à partir de modèles de commutateurs détaillés, y compris dans des scénarios de commutation douce. Les modèles moyens et comportementaux peuvent intégrer des cartes d'efficacité afin de garantir un comportement thermique précis et une efficacité du circuit.

Bien que la compréhension des pertes thermiques et de l'efficacité soit essentielle, une perspective globale du système est souvent nécessaire pour garantir une extraction de chaleur efficace. Simscape Electrical supporte les approches traditionnelles de modélisation thermique telles que les réseaux de Cauer et Foster, permettant la simulation des transferts de chaleur conductifs, convectifs et radiatifs dans le domaine thermique. Ces modèles peuvent inclure des détails avancés comme le refroidissement liquide et le refroidissement biphasique, ainsi que des échangeurs thermiques, ce qui permet aux concepteurs d’évaluer différentes stratégies d’extraction de chaleur tout en tenant compte de la consommation supplémentaire d’énergie des systèmes de refroidissement actifs.

Les composants mécaniques, tels que les moteurs et les solénoïdes, peuvent également être modélisés à plusieurs niveaux de fidélité. Ils vont de simples modèles à paramètres concentrés à des modèles détaillés et non linéaires importés depuis des outils d'analyse par éléments finis (FEA), capables de prendre en compte des effets tels que les harmoniques spatiaux et la saturation. Le comportement thermique peut être inclus selon les besoins, supportant une analyse complète des aspects électriques et mécaniques.

Injection de défauts intégrée et proactive

Simscape Electrical comprend des outils intégrés pour la modélisation, l'injection et l'analyse des défauts. Les composants individuels incluent des défauts prédéfinis, tandis que les blocs de défaut dédiés permettent aux utilisateurs d'injecter des circuits ouverts ou des courts-circuits à n'importe quel point du système. Les défauts peuvent être déclenchés par des critères de simulation, une entrée utilisateur ou des heures spécifiques de simulation. Parce que l'environnement de simulation reconnaît ces comportements comme des défauts, tous les scénarios de défauts sont gérés via une fenêtre dédiée aux défauts, permettant une évaluation virtuelle systématique et approfondie des défauts. Cette capacité peut être évolutive pour supporter une analyse des modes de défaillance et de leurs effets (FMEA) virtuelle lorsque cela est nécessaire.

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Analyse basée sur la fréquence pour les performances électriques et les caractéristiques de contrôle

Simscape Electrical supporte l'analyse en fréquence ainsi que la simulation dans le domaine temporel, essentielle pour étudier la qualité de l'alimentation, l'impédance d'entrée, le rejet du bruit et le design des boucles de contrôle. Lors de l'utilisation de blocs convertisseurs prédéfinis de la bibliothèque Simscape Electrical, les réponses fréquentielles analytiques et les fonctions de transfert sont immédiatement disponibles, car des modèles à valeur moyenne sont dérivés et intégrés en arrière-plan. Ces capacités s'étendent à toutes les topologies modélisées sur mesure, quelle que soit leur fidélité, en utilisant les outils intégrés d'analyse de la réponse en fréquence. Cela élimine la nécessité d'une analyse manuelle des petits signaux ou de la dérivation d'un modèle moyen.

Les données de réponses fréquentielles peuvent être intégrées aux algorithmes de contrôle et d'optimisation ou utilisées avec des outils d'identification de systèmes pour générer des modèles temporels d'ordre réduit, sans nécessiter d'analyse mathématique manuelle. 

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Composants des fabricants : intégration des modèles provenant de Hitachi, Infineon, Wolfspeed et d'autres fabricants

Simscape Electrical supporte la modélisation de composants définis par le fabricant grâce à plusieurs méthodes d’intégration :

• Modélisation basée sur les fiches techniques : Les paramètres issus des fiches techniques des fabricants peuvent être structurés pour configurer des blocs de composants prédéfinis lorsque les modèles de simulation fournis par le fabricant ne sont pas disponibles et que les valeurs des fiches techniques sont suffisantes pour une analyse au niveau système.
• Extraction des paramètres à partir de la simulation : Les modèles SPICE du fabricant peuvent être simulés pour extraire des paramètres clés, tels que les pertes de commutation, les profils de capacité et les caractéristiques thermiques, qui alimentent ensuite les lookup tables pour les modèles comportementaux.
• Importation de netlist SPICE : Simscape Electrical peut importer des modèles détaillés de dispositifs de fabricants en utilisant des netlists SPICE qui incluent des non-linéarités et des parasites.

Simscape Electrical inclut des données de composants de fabricants tels que Hitachi, Infineon et Wolfspeed, et propose des outils pour construire des modèles représentatifs pour tout dispositif discret donné, à partir de données appropriées du fabricant. Cela garantit une modélisation cohérente et vérifiée à travers les domaines électrique, thermique et de contrôle.

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Design de boucle de contrôle : optimisation de la bande passante de contrôle dès le départ

Simulink supporte les approches de contrôle classiques et avancées, y compris le contrôle prédictif et le Machine Learning. Il permet le design et l'optimisation du contrôle concurrent, permettant aux ingénieurs de traiter des critères concurrents et d'atteindre une performance hautement optimisée.

Simulink supporte le design de boucles dans les domaines S et Z, avec des visualisations standard telles que les diagrammes de Bode, Nyquist et les tracés de réponse indicielle, ainsi que des outils pour l'analyse et le placement des pôles et des zéros. Les critères de contrôle traditionnels peuvent être combinés avec des mesures de performance quantitatives supplémentaires, permettant, par exemple, de régler un contrôleur pour la stabilité et la bande passante tout en limitant le dépassement de courant lors du démarrage.

Simulink offre également une plage de stratégies de contrôle, allant des contrôleurs robustes et à logique floue aux techniques avancées de commande de moteurs (par exemple, boucles à verrouillage de phase, transformées de Clarke et de Park, commande vectorielle, contrôle direct du couple et commutation BLDC). Pour les systèmes raccordés au réseau et aux services publics, Simulink propose des outils pour le suivi du point de puissance maximale, la gestion des ressources des onduleurs, la stabilité basée sur l'admittance, la formation de réseau, et bien plus encore.

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Traçabilité des exigences : conformité à la norme ISO 26262 et à la norme IEC 61508

La traçabilité des exigences est essentielle pour des workflows de design hardware structurés, en particulier sous des normes telles que ISO 26262 et IEC 61508, qui exigent un suivi depuis les exigences jusqu'à l'implémentation. L'absence d'une exigence dès le début peut entraîner des modifications coûteuses à des étapes ultérieures.

Simscape Electrical, intégré à la famille de produits Simulink, supporte une gestion complète des exigences et leur vérification. Les ingénieurs peuvent relier les modèles de circuits directement aux exigences textuelles et effectuer des tests formels basés sur les exigences, supportant ainsi la conformité et la validation par rapport aux spécifications définies.

Cet environnement unifié permet la traçabilité à travers la modélisation, la simulation et les tests, reliant les exigences aux artefacts de design, aux résultats de simulation et à la couverture de test. Cette approche supporte les revues de design, les processus de certification et l'analyse d'impact des changements, garantissant un design robuste et conforme aux normes depuis le concept jusqu'à l'implémentation.

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Cosimulation et export de modèle pour les tests HIL

Simscape Electrical correspond aux workflows de design hardware existants, qui incluent souvent des outils EDA et de routage pour la génération des fichiers de design finaux. Pour supporter cette intégration, MathWorks propose des capacités de co-simulation et d'exportation de modèles, permettant une adoption dans de nombreux environnements de design.

Simscape Electrical supporte la cosimulation avec des outils de simulation de circuits tels que PSpice^® et SIMetrix, permettant aux ingénieurs d'exploiter les forces de différentes plateformes simultanément. Cette capacité s'étend à l'intégration avec des moteurs multiphysiques et des outils EDA pour une modélisation de plus haute fidélité, telle que l'analyse par éléments finis (FEA), lorsque cela est nécessaire.

Du côté de l'exportation, les modèles de système physique peuvent être exportés en code C et HDL/Verilog pour les tests hardware-in-the-loop (HIL) des systèmes électriques et des convertisseurs. Ces modèles peuvent également être exportés pour une utilisation dans des outils EDA, en intégrant SystemVerilog et en permettant aux modèles créés dans Simscape Electrical de fonctionner au sein des environnements EDA.

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Conclusion

La réduction des risques lors des premières phases de design des convertisseurs de puissance et des entraînements moteurs repose avant tout sur une bonne visibilité et sur la capacité à anticiper les conséquences des décisions de design avant qu'elles ne deviennent coûteuses, irréversibles ou dangereuses. Les workflows décrits dans cet article démontrent comment un environnement de simulation multidomaine basé sur des modèles aide les ingénieurs à explorer davantage d'idées, à valider les hypothèses plus tôt et à converger vers des designs robustes avec une plus grande confiance. Avec MATLAB, Simulink et Simscape Electrical, ils peuvent utiliser des composants précis des fabricants pour réaliser des études de compromis, des analyses thermiques, de défauts et mécaniques, des évaluations basées sur la fréquence, ainsi que le développement de boucles de contrôle.