Los convertidores de alta velocidad y los módulos de potencia presentan un desafío abrumador para los diseñadores. Las pérdidas por conmutación deben reducirse tanto como sea posible, mientras que la conmutación dI/dt alta y dV/dt rápida debe manejarse adecuadamente.
Se ha logrado una resistencia ultrabaja (Ron) con la adopción de materiales tecnológicamente avanzados como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), pero otros parámetros importantes influyen en el diseño. La simulación precisa de dispositivos de potencia, incluidos los parámetros y modelos relevantes, ayuda a los diseñadores a dimensionar y validar cuidadosamente los diseños.
Sistema de Diseño Avanzado (ADS)
Las soluciones ADS incluyen diafonía, impedancia, picos de voltaje, EMI/EMC, resonancia, análisis térmico, corrientes de paso, capacitancia parásita y más. Son posibles varias soluciones de simulación, incluido el modelado completo de dispositivos, el análisis de paquetes y matrices, o el análisis a nivel de módulo. La herramienta incluye amplias bibliotecas de componentes electrónicos, dispositivos de potencia, bibliotecas de enlace de cables, interruptores de modulación, IGBT y más. En la Figura 1 se muestra una descripción general de las simulaciones y los análisis obtenidos con ADS.
Por ejemplo, los modelos basados en EM se pueden usar para extraer parásitos a nivel de paquete y placa con la estimación de parámetros de método de momento, los conectores se pueden simular con métodos de dominio de tiempo de diferencia finita y el magnetismo no lineal se puede simular con cálculos precisos. . Tanto el flujo como el MMF. ADS incluye controladores nativos para modelar circuitos de controladores de puerta (IGBT, PowerMOS, SiC, GaN), pero los modelos de dispositivos y subcircuitos también se pueden importar desde herramientas de terceros (PSPICE, LTspice, HSPICE, Verilog-A, VHDL, etc.). Una característica distintiva de ADS es la capacidad de elegir una representación de diseño de placa, paquete o módulo, o una representación esquemática tradicional. Ambos enfoques son posibles y ambas simulaciones proporcionan resultados valiosos. La Figura 2 muestra un esquema ADS interno muy básico con un inductor y su capacitancia, un diodo y un MOSFET de conmutación. Al ejecutar una simulación, puede obtener una descripción general de los bucles actuales y los bucles de conmutación en una aproximación muy cercana al comportamiento del mundo real.

Por supuesto, el circuito puede ser más complicado. También se pueden construir medios puentes, puentes completos u otros circuitos de potencia. La cosimulación también puede incluir análisis electromagnético (EM), que revela problemas críticos que pueden haberse pasado por alto. En cuanto a la simulación solo esquemática, la cosimulación de circuitos mediante EM puede detectar fácilmente pérdidas de eficiencia y aumentos de emisiones, lo que indica que el diseño influye en las características del circuito. En ese caso, es posible que deba volver a girar la placa, lo que lleva mucho tiempo, es costoso y requiere depuración. Agregar blindaje EMI puede ser la solución más fácil, pero es una solución costosa, especialmente para la producción de alto volumen. El uso de ADS para la cosimulación de circuitos EM combina el diseño y las vistas esquemáticas. Un solucionador de campo extrae un modelo basado en EM de parásitos de diseño y le permite agregar trazas de PCB en su simulación.
Además, el método de los momentos proporciona el mejor equilibrio entre velocidad y precisión para PCB/paquetes. Por lo tanto, es posible simular elementos agrupados similares a SPICE al mismo tiempo junto con efectos de diseño. El ensamblaje de componentes es muy rápido, ya que los cables de unión o las matrices de cables de unión se pueden unir fácilmente. La interfaz gráfica de usuario le permite arrastrar y soltar componentes de la biblioteca, insertar alambres de unión y seleccionar formas, longitudes y diámetros de puntada. EM Simulation también puede importar diseños de diseño generados en otras plataformas (se admiten los formatos ODB++ y Allegro Board File). El ensamblaje físico se mejora con capacidades de visualización en 3D para comprender mejor cómo se ven los conectores, resortes y otros componentes en 3D. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de resultados de cosimulación de circuitos EM. El diseño del tablero se muestra a la derecha, mostrando los resultados de una simulación electromagnética realizada utilizando la técnica del método de momentos. La herramienta también proporciona información sobre las densidades de corriente en partes críticas del circuito (como los orificios de paso) para ayudar a los diseñadores a optimizar su diseño. En el lado izquierdo de la Figura 3, podemos ver una comparación entre los resultados obtenidos por simulación y los obtenidos por mediciones reales, en referencia a los voltajes de los nodos de conmutación. Son practicamente iguales.

ADS puede proporcionar resultados más precisos y una mejor coincidencia entre la simulación y la medición en comparación con los modelos de simulación tradicionales. Los modelos tradicionales suelen producir formas de onda inconsistentes. El timbre/sobreimpulso no se simula (línea plana) y la forma de onda está sujeta a desviaciones de tiempo y velocidad de respuesta. Tenga en cuenta que la coincidencia precisa de formas de onda es importante para los cálculos de ruido, ya que las formas de onda contienen contenido de alta frecuencia. Los modelos de dispositivos integrados en el Sistema de diseño avanzado se hacen más precisos al integrar simulaciones EM con modelos polinómicos basados en modelos matemáticos. Por ejemplo, el popular “modelo Angelov-GaN” se modificó para representar mejor el comportamiento de SiC o GaN y es independiente de los parámetros físicos del dispositivo.
Otras herramientas para lograr una alta precisión son la prueba de doble pulso y los sistemas de fuente/medida. DPT es un sistema de prueba de doble pulso que se utiliza para medir la funcionalidad de conmutación de los módulos de potencia. Las SMU son unidades de fuente/medida (a veces denominadas unidades de fuente-monitor) para aplicaciones de prueba que requieren alta precisión, alta resolución y flexibilidad de medición. Las SMU se utilizan para forzar voltaje o corriente y medir voltaje y corriente simultáneamente. Los datos medidos (también disponibles con equipos de medición de terceros) se procesan mediante un modelo matemático integrado en el software PEMG (Power Electronics Model Generator) que genera los parámetros de modelo apropiados. Luego, el modelo se puede usar en ADS para proporcionar simulaciones precisas de circuitos y EM. Si fabrica su dispositivo en una fundición, obtendrá un PDK (Kit de diseño de procesos) de la fundición. ADS importa fácilmente PDK y se integra completamente con modelos y simulaciones integrados.
Conclusión
La co-simulación es obligatoria en la era de alto dI/dt. Optimice las pérdidas de conmutación con simulación electromagnética y reduzca EMI con control parásito. La simulación electrotérmica ayuda a optimizar los diseños para la durabilidad, mejorar la distribución del calor e identificar posibles problemas y áreas de mejora. La precisión de los resultados es muy importante y depende estrictamente del modelo utilizado para la simulación.
referencia
Seminario web sobre el diseño de fuentes de alimentación conmutadas en la era de alto di/dt