Simulazione multi-level per l’elettronica di potenza

I sistemi dell’ elettronica di potenza sono complessi. La simulazione fornisce gli strumenti per risolvere in modo efficiente sfide di progettazione di alto livello, migliorare le prestazioni e promuovere l'innovazione.

L'elettronica di potenza guida le applicazioni critiche e deve soddisfare severi standard di compatibilità e affidabilità. Anticipare i numerosi fattori che possono influenzare le prestazioni del mondo reale richiede una soluzione di simulazione collaudata che possa aiutare a identificare i problemi elettromagnetici prima che si verifichino, ottimizzando al contempo l'intero sistema, inclusa la gestione termica.

In questo articolo vedremo le principali sfide ingegneristiche, come la simulazione può essere la soluzione vincente e quali vantaggi porta un simile approccio. 

Principali Sfide ingegneristiche nell’elettronica di potenza

Esistono molte sfide sul fronte dell’elettronica di potenza. In questo paragrafo ci concentreremo in alcune peculiari aree. Nella progettazione di sistemi e circuiti la principale sfida è aumentare la densità di potenza perseguendo la tendenza a miniaturizzare il tutto, o quando non è possibile, cercare di avere un ingombro ridotto; altrettanto importante è aumentare l'efficienza sfruttando frequenze di commutazione più elevate. Tutto questo senza tralasciare che bisogna sempre superare problematiche termiche ed elettromagnetiche legate all’interferenza (EMI) e alla compatibilità elettromagnetica (EMC).

Per i componenti magnetici, una sfida è quella di non superare i limiti di temperatura per induttori e trasformatori; anche in questo caso è importante ridurre al minimo le dimensioni ed evitare induttanze di dispersione, sovratensioni ed effetti parassiti.

Per i moduli di potenza una delle sfide principali è quella di non superare i limiti di temperatura per i semiconduttori di potenza e le loro carcasse esterne e prevenire il guasto dei componenti.

Per i microcontrollori la sfida per gli ingegneri, invece, riguarda la prototipazione virtuale di hardware e software prima dell'integrazione fisica e del test. L'obiettivo è quello di riuscire a convalidare, il sistema, in anticipo per rilevare i difetti nei requisiti, nella progettazione e nei test. 

Per la certificazione di un sistema elettronico, una delle sfide è soddisfare gli standard EMC richiesti; ridurre i cicli di riprogettazione a causa del fallimento dei test EMC.

Infine possiamo dire che in tutta l’elettronica di potenza bisogna tenere conto che spesso gli ingegneri sono costretti a considerare differenti configurazioni per ogni particolare applicazione e per differenti range delle variabili di input. Ultima sfida che accomuna più tecnologie ancora oggi è ridurre i cicli di sviluppo prodotto e il time-to-market.

Simulazione numerica nella progettazione dell’elettronica di potenza

Oggi il mercato della simulazione numerica offre soluzioni di progettazione, analisi e ottimizzazione a livello di sistema per sistemi elettronici di potenza inclusi inverter, convertitori, macchine elettriche, sensori, semiconduttori (IGBT), circuiti stampati e cavi.

Gli strumenti di simulazione aiutano a risolvere problemi come la perdita di semiconduttori e le prestazioni termiche durante il ciclo, le sovracorrenti e le tensioni durante la commutazione e le emissioni condotte e irradiate (EMI/EMC) dovute a frequenze di commutazione sempre più elevate. La simulazione può fornire un impatto significativo sulla progettazione e produzione dell'elettronica di potenza.

Le simulazioni di campo elettromagnetico quasi statico 3D e 2D consentono modelli altamente accurati utilizzati per eseguire analisi dell'integrità del segnale per studiare diafonia, rimbalzo del suolo, ritardi di interconnessione e squillo e per prevedere con precisione le prestazioni di interconnessioni ad alta velocità, filtri, connettori e PCB. Le soluzioni di gestione termica dell'elettronica sfruttano una mesh robusta e automatica per simulare il trasferimento di calore e la simulazione del flusso dei fluidi per strategie di raffreddamento ad aria convettiva e forzata.

Uno strumento di caratterizzazione integrato sia per il semiconduttore di potenza che per il modulo di potenza consente l'integrazione di componenti di potenza caratterizzati in un modello di sistema di azionamento e la valutazione a diversi cicli di azionamento. Creando un modello di ordine ridotto (ROM), è possibile apportare modifiche e analizzarle in simulazioni in tempo reale, diminuendo il tempo di simulazione anche di ordini di grandezza.

Grazie alle soluzioni attuali i tecnici hanno la possibilità di importare formati CAD elettronici, simulare circuiti e sistemi multidominio. Questo è possibile anche grazie a modelli di sistema complessi, librerie di modelli e flussi di lavoro di modelli di ordine ridotto. Inoltre è possibile la caratterizzazione dei dispositivi di potenza a diversi livelli di accuratezza a seconda delle necessità, sfruttando modelli per componenti magnetici di potenza e macchine elettriche.

Diventa possibile l’accoppiamento di modelli di componenti tramite co-simulazione o modellazione di ordine ridotto. L’analisi delle prestazioni termiche del sistema con semiconduttori di potenza elettrotermica e modelli magnetici permettono la previsione di hot spot e limiti termici per i cavi. Grazie a questo è possibile la previsione delle perdite di avvolgimento e nucleo per componenti magnetici. Le soluzioni attuali dispongono di una piattaforma flessibile per l'integrazione di software embedded con modelli di ordine ridotto basati sulla fisica e un'ampia libreria. La simulazione numerica permette un approccio flessibile e scalabile improntato all'ingegneria dei sistemi basata su modelli.

Viene abilitata la previsione accurata del comportamento di commutazione dei semiconduttori di potenza, la previsione di correnti parassite dipendenti dalla frequenza. Con l’utilizzo di una libreria di componenti EMI/EMC è possibile avere dei flussi di lavoro automatizzati e ottimizzati, riuscendo ad ottenere una previsione del rumore irradiato e condotto e una previsione della vita utile rimanente dei dispositivi. Le soluzioni attuali permettono di effettuare simulazioni multifisiche accoppiate in un'unica piattaforma utilizzando un’ampia libreria di materiali e componenti. 

Vantaggi sulla simulazione multi-level per l’elettronica di potenza

I vantaggi nell’applicare le metodologie numeriche sono subito evidenti sui prodotti che presenteranno dei design robusti, il che abilita una gamma di applicazioni più ampia e un’individuazione precoce degli effetti EMI/EMC. Questo permette cicli di test ridotti per EMI/EMC. Si riducono i guasti dovuti allo stress termico. Si riducono i costi dei test termici diminuendo allo stesso tempo gli hot spot, migliorando il funzionamento al di sotto dei limiti termici. Tutto questo si traduce in un aumento del vantaggio competitivo, in un’affidabilità migliorata, in tempi e costi di sviluppo ridotti grazie al flusso di certificazione senza interruzioni e alla verifica e alla convalida anticipate.

La sicurezza è garantita dal software integrato e globalmente tempi e costi per i test sono ridotti dal 20-40%. Vengono così ridotti i costi associati ai test fisici attraverso l'esplorazione e la convalida virtuale. Infine le stime della vita utile rimanente a livello di PCB sono calcolate rapidamente e questo vale anche localmente per tutti i componenti su una scheda.

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