Infineon rozwiązuje ten problem za pomocą dwóch uzupełniających się platform. IPOSIM pomaga inżynierom oceniać warunki pracy urządzeń na poziomie systemu, podczas gdy InfineonSPICE umożliwia szczegółową analizę na poziomie obwodów elektrycznych z wykorzystaniem modeli półprzewodników przygotowanych przez producenta. Narzędzia te używane razem, tworzą praktyczny proces, który wspiera szybsze podejmowanie decyzji projektowych i zmniejsza liczbę iteracji sprzętowych wymaganych przed rozpoczęciem produkcji.
Możliwości zapewniane przez InfineonSPICE wykraczają daleko poza tradycyjną bibliotekę komponentów, zapewniając zintegrowane środowisko do tworzenia schematów, analizy przebiegów i zarządzania projektami, co ilustrują rys. 1, 2, 4 i 5.
Więcej niż tylko kolejne środowisko symulacyjne
Jak pokazano na rys. 1, InfineonSPICE to intuicyjne środowisko do tworzenia oraz importowania schematów, które pozwala inżynierom szybko tworzyć i analizować kompletne obwody elektroniki mocy. Dalej oprogramowanie pozwala na symulację oraz wizualizację przebiegów i zarządzanie modelami w jednym środowisku. Inżynierowie, którzy wcześniej korzystali z innych narzędzi opartych na SPICE, mogą szybko opanować środowisko InfineonSPICE. Dla osób rozpoczynających pracę z tego typu oprogramowaniem przygotowano projekty referencyjne, a także zintegrowaną bibliotekę modeli i obszerną dokumentację. Przykłady przedstawione na rysunkach 1 i 4 pokazują, jak w jednym środowisku można projektować, symulować i analizować kompletne układy aplikacyjne.
Wielu projektantów elektroniki korzysta już z narzędzi SPICE w swojej codziennej pracy, ale przydatność InfineonSPICE nie wynika z zastąpienia tych środowisk. Chodzi o bezpośredni dostęp do modeli komponentów Infineona i dostosowania tej aplikacji specjalnie do elektroniki mocy. Inżynierowie mogą od razu rozpocząć analizę projektów w tranzystorami CoolMOS, OptiMOS, CoolSiC, CoolGaN i IGBT bez konieczności poświęcania cennego czasu.
Symulacja stanów przejściowych przedstawiona na rys. 2 pokazuje, w jaki sposób można analizować proces przełączania, przebiegi napięć oraz właściwości dynamiczne jeszcze przed fizyczną realizacją projektu. Pozwala to identyfikować potencjalne problemy projektowe na znacznie wcześniejszym etapie procesu rozwoju niż w przypadku wykorzystania prototypów fizycznych.
Dlaczego dokładne modele podzespołów są istotne
Każdy doświadczony projektant elektroniki mocy wie, że jakość symulacji w dużej mierze zależy od jakości zastosowanych modeli. Nawet niewielkie niedokładności dotyczące pojemności, zależności temperaturowych podczas odzyskiwania stanu zaporowego lub reaktancje pasożytnicze obudowy mogą znacząco wpływać na kształt przebiegów sygnałów podczas przełączania i na szacunek strat. Modele opracowane i udostępniane przez producentów pomagają ograniczyć tę niepewność i zwiększyć wiarygodność wyników symulacji jeszcze przed rozpoczęciem testów laboratoryjnych.
IPOSIM łączy ocenę systemu ze szczegółową analizą
IPOSIM od lat jest wykorzystywany do obliczania strat mocy, szacowania parametrów termicznych oraz porównywania różnych komponentów.
Integracja funkcji generowania modeli SPICE rozszerza jego możliwości, umożliwiając uwzględnienie takich czynników jak konfiguracja sterownika bramki, czas martwy, indukcyjność rozproszenia oraz właściwości obwodów zewnętrznych. Pozwala to znacząco ograniczyć różnicę pomiędzy analizą procesu przełączania a oceną pracy układu w warunkach rzeczywistej aplikacji.
Aby ułatwić rozpoczęcie pracy z programem, InfineonSPICE zawiera również zestaw gotowych projektów referencyjnych i przykładów aplikacyjnych, przedstawionych na rys. 4. Umożliwiają one poznanie metod symulacji oraz przyspieszają rozwój nowych projektów.
Praktyczny proces pracy w rzeczywistych projektach
Typowy projekt często rozpoczyna się od oceny wielu wariantów komponentów półprzewodnikowych. IPOSIM umożliwia porównywanie elementów w realistycznych warunkach pracy i szybką identyfikację najbardziej obiecujących rozwiązań. Po ustaleniu kluczowych parametrów, projekt można przenieść do środowiska InfineonSPICE w celu przeprowadzenia szczegółowych symulacji stanów przejściowych. Na tym etapie można optymalizować rezystory bramkowe, oceniać skuteczność obwodów tłumiących, szacować energię przełączania i badać wpływ reaktancji pasożytniczych.
Projektowanie stopnia półmostkowego z CoolSiC
Rozważmy układ półmostka z tranzystorami CoolSiC o napięciu 1200 V przeznaczony do falownika lub układu do korekcji współczynnika mocy PFC. Przed zbudowaniem prototypu projektanci zazwyczaj chcą ustalić zakresy przepięć, przeanalizować przebiegi napięcia bramki oraz parametry termiczne układu. Dokładna symulacja pozwala na szybką i wielokrotną ocenę tych parametrów, co przyspiesza optymalizację i znacznie zmniejsza ryzyko projektowe.
Projektowanie wspomagane symulacją przenosi znaczną część fazy badania układu elektronicznego do środowiska wirtualnego. Wiele potencjalnych problemów można zidentyfikować jeszcze przed wykonaniem płytki PCB, co ogranicza ryzyko projektowe i skraca ogólny czas realizacji projektu.
W tradycyjnym podejściu projektowym, inżynier zazwyczaj wybiera element półprzewodnikowy na podstawie dokumentacji, projektuje układ, buduje prototyp, a następnie rozpoczyna pomiary. Jeżeli pojawią się nieoczekiwane problemy związane z przełączaniem, parametrami termicznymi lub kompatybilnością elektromagnetyczną (EMI), często konieczne są dodatkowe modyfikacje płytki i kolejne prototypy.
Od specyfikacji komponentu do prototypu
Symulacje są szczególnie cenne dla zespołów porównujących różne koncepcje w celu osiągnięcia celów dotyczących wydajności, gęstości mocy lub kosztów. Zamiast przełączać się między różnymi źródłami modeli i środowiskami symulacyjnymi, można skupić się na ocenie właściwości technicznych.
Jedną z mocnych stron ekosystemu symulacyjnego Infineon jest szeroki zakres obsługiwanych technologii półprzewodnikowych. Do dyspozycji są tranzystory SJ MOSFET (superjunction) CoolMOS, niskonapięciowe tranzystory MOSFET OptiMOS, tranzystory MOSFET CoolSiC, układy CoolGaN oraz przemysłowe moduły IGBT.
Jedno środowisko obejmujące wiele technologii produktowych
Po wybraniu preferowanego komponentu projekt trafia do InfineonSPICE. Można tu badać proces przełączania, optymalizować rezystory bramkowe, oceniać skuteczność obwodów tłumiących i oceniać wpływ reaktancji pasożytniczych. Rezultatem jest bardziej dopracowana pierwsza wersja sprzętu i mniejsza ilość cykli projektowych.
Praktyczny proces pracy często rozpoczyna się w IPOSIM, gdzie inżynierowie porównują wiele rozwiązań półprzewodnikowych w realistycznych warunkach pracy. Obliczenia strat i ocena termiczna projektu pomagają zawęzić wybór przed rozpoczęciem dalszej pracy nad układem.
Typowy schemat projektowania
Przejście z konwencjonalnych rozwiązań krzemowych na SiC i GaN znacznie zwiększyło szybkość przełączania oraz gęstość mocy. Chociaż technologie te umożliwiają stosowanie mniejszych elementów pasywnych i osiąganie wyższej sprawności, stawiają również większe wymagania w zakresie projektu PCB, minimalizacji indukcyjności pasożytniczych oraz doboru parametrów sterowania bramką. W rezultacie symulacja stała się kluczowym etapem w identyfikacji przepięć, oscylacji, problemów związanych z EMI oraz ograniczeń termicznych jeszcze przed wykonaniem prototypu.
Podsumowanie
Darmowe narzędzia InfineonSPICE i IPOSIM najlepiej postrzegać jako rozwiązania wzajemnie się uzupełniające. Razem zapewniają one uporządkowaną ścieżkę od wyboru elementu półprzewodnikowego do walidacji projektu układu oraz pomagają zespołom inżynierskim podejmować bardziej świadome decyzje na wcześniejszych etapach procesu rozwoju. W przypadku projektów wykorzystujących nowoczesne technologie krzemowe, SiC i GaN narzędzia te mogą przyspieszyć prace rozwojowe, jednocześnie zwiększając pewność podejmowanych decyzji projektowych.
Infineon
https://www.infineon.com/infineonspice
