Karşılaştırmalı Analizler, Ön Değerlendirme ve Optimizasyon
Simscape Electrical, güç dönüştürücü tasarımının erken aşamalarında sistematik tasarım çalışmaları ve karşılaştırmalı analizler için iki önemli avantaj sunar:
- Betik (script) geliştirme, tasarım otomasyonu ve optimizasyon için MATLAB ile doğrudan entegrasyon sağlayarak tasarım alanının otomatik olarak keşfedilmesine olanak tanır.
- Termal etkilere bağlı ayrıntılı transistör modellerinden, dönüştürücü anahtarlama ve kontrol davranışını soyutlayan üst seviye davranışsal modellere kadar simülasyon ayrıntı seviyesini kontrol etme imkânı sunar.
Bu iki özellik birlikte, otomasyon ve model doğruluğunun proje gereksinimlerine göre uyarlanabildiği bütünleşik bir geliştirme ortamı oluşturur.
MATLAB ile Simscape Electrical modellerini kullanarak optimizasyon ve karşılaştırmalı analizler gerçekleştirebilir, devre simülasyonları sırasında birden fazla tasarım hedefini aynı anda değerlendirebilirsiniz. Maliyet, güç kalitesi veya bant genişliği gibi kriterleri önceliklendirirken, minimum verimlilik veya gerekli kazanç ve faz marjı gibi zorunlu tasarım kısıtlarını da sağlayabilirsiniz.
- Gerçek ve ticari olarak temin edilebilen bileşenlerin seçimini sağlamak için ayrık (discrete) ve tam sayı tabanlı optimizasyon yöntemlerini kullanın.
- Devre mimarisini, bileşen değerlerini, kontrol stratejilerini ve diğer tasarım seçeneklerini keşfetmek için sürekli ve ayrık tasarım kısıtlarını birlikte değerlendirin.
- Yerel (local), küresel (global) ve yapay zekâ destekli optimizasyon yöntemlerinden yararlanın. Ayrıca Design of Experiments (DOE) yaklaşımını kullanarak önemli tüm devre parametrelerini sistematik olarak analiz edin.
Çoklu Model Ayrıntı Seviyeleri
Simscape Electrical, farklı tasarım gereksinimlerini karşılamak amacıyla çeşitli model ayrıntı seviyelerine sahip bileşenler sunar. Böylece aynı geliştirme iş akışı içerisinde hem sistem seviyesinde hem de ayrıntılı tasarım kararları alabilirsiniz.
Aşağıdaki senaryolar için uygun model ayrıntı seviyesini seçebilirsiniz:
- Düşük seviyeli kontrol döngülerini modellemeden maliyet ve verimlilik odaklı sistem seviyesi analizleri gerçekleştirin.
- Verimlilik ile elektromanyetik girişim (EMI) arasındaki dengeyi sağlamak için kapı sürücü (gate-drive) direncini optimize edin.
Güç elektroniği yarı iletkenleri için farklı model ayrıntı seviyeleri sunulmaktadır:
- Ayrıntılı doğrusal olmayan anahtar modelleri (SPICE benzeri): Anahtarlama elemanlarının açma-kapama dinamiklerini ve doğrusal olmayan davranışlarını ayrıntılı olarak modelleyin.
- Anahtarlamalı doğrusal modeller: Ayrıntılı geçiş dinamiklerini göz ardı ederek anahtarlama etkilerini hızlıca analiz edin ve önceden hesaplanmış kayıp tabloları ile güç kayıplarını değerlendirin.
- Ortalama değer modelleri: Kesikli iletim modu (DCM) dahil olmak üzere sistemin üst seviye dinamiklerine odaklanın.
Farklı model ayrıntı seviyeleri yalnızca güç elektroniği yarı iletkenleri için değil; bataryalar, elektrik motorları, entegre devreler (IC) ve diğer bileşenler için de kullanılabilir. Uygun model ayrıntı seviyesinin seçilmesi, mevcut verilerle güvenilir modeller oluşturulmasını sağlar ve bazı tasarım ayrıntıları henüz bilinmese bile yinelemeli (iteratif) geliştirme süreçlerini destekler. Ayrıca model karmaşıklığını azaltarak model oluşturma, bakım ve simülasyon sürelerini önemli ölçüde hızlandırır.
İdeal anahtarlamalı IGBT modelinin tipik akım-gerilim (I-V) karakteristiğinde, kapı-emetör gerilimi (VGE) belirtilen eşik gerilimini (Vth) aştığında IGBT iletim (ON) durumuna geçer. Aksi durumda ise kesim (OFF) durumunda çalışır.
Üretici Parçaları, SPICE Netlist ve XML İçe Aktarma
Simscape Electrical, üretici tanımlı bileşenlerin modellenmesini üç farklı yöntemle destekler:
- Veri sayfası (datasheet) tabanlı modelleme: Üretici tarafından sağlanan simülasyon modelleri bulunmadığında ve sistem seviyesinde analiz için veri sayfasındaki bilgiler yeterli olduğunda, üretici veri sayfalarındaki parametreleri kullanarak Simscape Electrical kütüphane bloklarını yapılandırabilirsiniz.
- Simülasyondan parametre çıkarımı: Üreticiye ait SPICE modellerini simüle ederek anahtarlama kayıpları, kapasitans profilleri ve termal karakteristikler gibi temel parametreleri çıkarabilir ve bu parametreleri davranışsal modellerde kullanılan arama tablolarını (lookup tables) oluşturmak için kullanabilirsiniz. Bu yöntem, yerleşik Simscape Electrical kütüphane bileşenlerini kullanırken gerçek cihaz performansının temsil edilmesini sağlar.
- SPICE netlist içe aktarma: Doğrusal olmayan davranışları ve RLC parazitik elemanlarını içeren ayrıntılı üretici cihaz modellerini SPICE netlist dosyaları aracılığıyla içe aktarabilirsiniz.
Simscape Electrical, Infineon® ve Wolfspeed bileşen verilerini içerir. Ayrıca uygun üretici verileri sağlandığında, herhangi bir ayrık güç elektroniği bileşeni için temsil edici modeller oluşturmayı sağlayan araçlar sunar. Bu yetenek, elektriksel, termal ve kontrol alanlarında tutarlı ve doğrulanmış modelleme yapılmasını sağlar.
Birlikte Simülasyon (Co-Simulation) ve Model Dışa Aktarma
Simscape Electrical, mevcut donanım tasarım iş akışlarına kolayca entegre olur. Bu iş akışları genellikle nihai tasarım dosyalarının oluşturulması için elektronik tasarım otomasyonu (EDA) ve kart yerleşim (layout) yazılımlarını içerir.
Bu entegrasyonu desteklemek amacıyla Simulink, birlikte simülasyon (co-simulation) ve model dışa aktarma özellikleri sunarak modellerin farklı tasarım ortamlarında kullanılmasına olanak tanır.
- PSpice ve SIMetrix gibi devre simülasyon araçlarıyla birlikte simülasyon gerçekleştirerek farklı platformların güçlü yönlerinden aynı anda yararlanabilirsiniz.
- Devre modellerini C ve HDL/Verilog kodu olarak dışa aktarabilir, bu kodları EDA araçlarında kullanabilirsiniz.
- SystemVerilog ile entegrasyon sağlayabilir ve Simscape Electrical ile oluşturulan modelleri EDA ortamlarında çalıştırabilirsiniz.
Öne Çıkan Örnekler
Termal ve Mekanik Analiz
Güç dönüştürücü tasarımında paketleme ve yerleşim (layout) kritik öneme sahiptir. Simscape Electrical, her model ayrıntı seviyesinde ayrıntılı güç kaybı hesaplamaları sunar.
- Transistör modellerinde hem anahtarlama hem de iletim kayıpları her zaman hesaplanır.
- Hızlı simülasyon sağlayan parçalı doğrusal (piecewise-linear) modellerde kayıplar, üretici tablolarından içe aktarılır veya yumuşak anahtarlama (soft-switching) senaryolarını da kapsayacak şekilde fizik tabanlı transistör modellerinden otomatik olarak oluşturulur.
- Ortalama değer (average-value) ve davranışsal modeller, doğru termal davranış ve devre verimliliğini korumak için verimlilik haritalarını (efficiency maps) kullanır.
Simscape Electrical, Cauer ve Foster termal ağları aracılığıyla iletim, taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon) yoluyla gerçekleşen ısı transferinin modellenmesini sağlar. Modeller; sıvı soğutma, iki fazlı soğutma ve ısı eşanjörleri gibi gelişmiş ayrıntıları içerebilir. Böylece devre tasarımcıları, aktif soğutma sistemlerinin güç gereksinimlerini de dikkate alarak farklı ısı yönetimi stratejilerini değerlendirebilir.
Motorlar ve solenoidler gibi elektromekanik bileşenleri, toplu parametre (lumped parameter) modellerinden FEA tabanlı Reduced Order Model (ROM) yapılarına kadar farklı model ayrıntı seviyelerinde modelleyebilirsiniz. Bu modeller, elektrik motorlarında görülen uzaysal harmonikler ve manyetik doyum gibi doğrusal olmayan davranışları ayrıntılı olarak temsil edebilir. Gerektiğinde termal davranış da modele eklenerek elektriksel ve mekanik alanları kapsayan kapsamlı analizler gerçekleştirilebilir.
“Simscape Electrical ile elektriksel ve termal alanları birbirine bağlayan entegre bir güç sistemi modeli oluşturduk. Böylece görev seviyesi simülasyonlarımız sırasında sistemin tamamını değerlendirebiliyoruz. Güneş panellerini hareket ettiren motorları modellememiz gerektiğinde ise bu mekanik bileşenleri de aynı modele entegre edebiliyoruz.”
Hector Hernandez
Lockheed Martin
Öne Çıkan Örnekler
Kontrol Döngüsü Tasarımı
Güç dönüştürücü geliştirme süreçlerinde, kompanzatör (compensator) kontrol döngüsü ile fiziksel devre tasarımı birbirine bağlıdır ve birlikte geliştirilmeleri önemli avantajlar sağlar. Simulink, sistem seviyesinde simülasyon kullanarak bu etkileşimin tasarımın erken aşamalarında incelenmesine ve hem klasik hem de gelişmiş kontrol tekniklerinin uygulanmasına olanak tanır.
Simulink ile mühendisler şunları gerçekleştirebilir:
- Sürekli zaman (S) ve ayrık zaman (Z) alanlarında kontrol sistemleri tasarlayın ve değerlendirin.
- Bant genişliği, bozucu etkilere dayanıklılık (disturbance rejection), faz marjı ve kazanç marjı gibi klasik kontrol gereksinimlerini sağlayın.
- Frekans alanı hedeflerini; aşım (overshoot) ve tepki süresi gibi zaman alanı performans kriterleriyle birlikte değerlendirin.
Kontrol tasarımının devre seviyesi modelleme ile bütünleştirilmesi sayesinde, mühendisler kontrol performansını ve donanım tasarımındaki ödünleşimleri (trade-off) aynı anda değerlendirebilir. Böylece tasarımın ilerleyen aşamalarında yapılması gereken değişiklikler azaltılır ve sistemin genel dayanıklılığı ile güvenilirliği artırılır.
Öne Çıkan Örnekler
Arıza Enjeksiyonu
Simscape Electrical bileşenleri, arıza modelleme, arıza enjeksiyonu ve arıza analizini destekler. Bireysel bileşenler önceden tanımlanmış arıza modelleri içerirken, özel arıza blokları sayesinde sistemin istenilen herhangi bir noktasına açık devre (open circuit) veya kısa devre (short circuit) arızaları eklenebilir.
Arızalar; simülasyon koşulları, kullanıcı girdileri veya simülasyon sırasında belirlenen belirli zamanlarda tetiklenebilir. Simülasyon ortamı bu davranışları arıza olarak algıladığı için tüm arıza senaryoları özel bir Arıza (Fault) penceresi üzerinden yönetilir. Böylece sistematik ve kapsamlı sanal arıza analizleri gerçekleştirilebilir.
Bu yetenek, gerektiğinde Hata Türleri ve Etkileri Analizi (Failure Modes and Effects Analysis – FMEA) çalışmalarını sanal ortamda gerçekleştirecek şekilde ölçeklendirilebilir.
Öne Çıkan Örnekler
Frekans Tabanlı Analiz
Öne Çıkan Örnekler
Gereksinim İzlenebilirliği
MATLAB ve Simulink, ISO 26262 ve IEC 61508 gibi fonksiyonel güvenlik standartlarına uyum sağlayacak şekilde yapılandırılmış donanım tasarım iş akışlarında kapsamlı bir gereksinim izlenebilirliği ortamı sunar.
Simulink Requirements , Simulink Test ve Simscape Electrical kullanarak metin tabanlı gereksinimleri doğrudan devre modellerine, simülasyonlara ve test sonuçlarına bağlayan dijital bir izlenebilirlik ağı (digital thread) oluşturabilirsiniz.
“Requirements Toolbox’u kullanmadan önce, bir gereksinimin hatalı olduğunu ancak donanım testleri aşamasına geldiğimizde fark edebiliyorduk. Gereksinimleri modele bağlayarak artık her bir gereksinimin nasıl uygulandığını ve aralarındaki ilişkileri net bir şekilde görebiliyoruz.”
Romain Guicherd
Dyson