반도체 소자를 모델링하기 위한 블록 선택

Simscape™ Electrical™에는 동일한 유형의 모터나 액추에이터를 모델링할 수 있는 블록이 여러 개 포함되어 있습니다. 예를 들어, MOSFET (Ideal, Switching)와 N-Channel MOSFET 블록은 둘 다 n채널 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 모델링합니다. 주어진 엔지니어링 설계 문제를 해결할 수 있을 만큼 충분히 세부적인 모델링이 가능한 블록을 선택해야 합니다. 또한, 고충실도 모델은 시뮬레이션 속도를 저하시키며 파라미터화하는 작업도 더 복잡해지므로 필요 이상으로 상세하게 모델링하지 않는 것도 중요합니다. 결국, 사용하기에 적합한 블록은 설계 목표를 달성하는 데 필요한 복잡도 수준에 따라 달라집니다. 올바른 수준의 복잡도를 갖춘 블록을 선택하려면 다음을 수행하십시오.

  1. 필요한 충실도 수준을 결정합니다.

  2. 그 충실도 수준에서 반도체 소자를 모델링하기에 적합한 블록을 선택합니다.

  3. 블록을 파라미터화합니다.

참고

이 안내서는 개별 반도체 소자를 모델링하는 블록에 초점을 맞춥니다. 전력전자 컨버터 모델을 만들고 싶다면 기본 컴포넌트로 모델을 만드는 것보다 이미 만들어져 있는 컨버터 블록을 사용하는 것이 더 간단하고 효율적인 경우가 많습니다. 자세한 내용은 전력전자 컨버터를 모델링하기 위한 블록 선택 항목을 참조하십시오.

충실도 수준 결정

동일한 유형의 반도체 소자를 여러 블록이 각기 다른 복잡도 수준의 수학적 모델로 구현하는데, 그 중에서 하나를 선택합니다.

  • 레벨 1 모델 - 열 모델이 없는 이상적인 스위칭 소자 모델

  • 레벨 2 모델 - 테이블 형식의 스위칭 손실과 열 모델을 갖춘 이상적인 스위칭 장치 모델

  • 레벨 3 모델 - 물리학 기반의 전열(electrothermal) 모델

모델링의 복잡도가 증가하면 실질적으로 탐색하거나 최적화할 수 있는 설계 공간이 제한됩니다. 적절한 수준의 복잡도로 모델을 개발하기 위해서는 설계 과정의 어느 단계에 있는지에 따라 각기 다른 충실도 수준을 사용해야 합니다. 다음 표는 일반적인 설계 목표와 세 가지 충실도 수준에서 각 모델링에 대한 일반적인 가정을 나열합니다. 이 표를 사용하여 필요한 충실도 수준을 결정하십시오.

충실도 수준

목표

모델링 가정

레벨 1

  • PWM 패턴 제어기나 피드백 제어기와 같은 내부 루프 전류 제어기를 설계합니다

  • 모터 및 기계적 부하나 전기적 부하와 같은, 시스템의 다른 부분을 포함한 시스템 동작을 검증합니다

  • 스위칭 PWM 패턴이 전기적 및 기계적 고조파에 미치는 영향을 평가합니다.

  • 전력전자 장치가 배치되는 시스템을 최적화합니다

  • 제한된 개수의 점을 갖는 조각별 선형(piecewise linear) On 상태 I-V 곡선

  • 전하를 고려하지 않는 모델

  • 전류 평균화 - 이 가정은 선택 사항이지만 전력전자 장치가 배치되는 시스템을 최적화하는 데 유용합니다.

  • 열을 고려하지 않는 모델

레벨 2

  • 전체적인 효율 계산의 일부로, 반도체 소자에서의 손실을 결정합니다

  • PWM 패턴을 조정하여 반도체 소자에서의 손실을 최소화합니다

  • 열 관리 또는 냉각 시스템 설계를 위해 열 손실을 계산합니다

  • 제조업체에서 생산한 반도체 소자 컴포넌트를 선택합니다

  • 반도체 소자가 작동 범위 내에 있는지 확인합니다.

  • 테이블 형식의 On 상태 I-V 곡선

  • 전하를 고려하지 않는 모델

  • 테이블 형식의 스위칭 손실

  • 접합부 및 케이스 열 모델

레벨 3

  • 게이트 드라이브를 설계합니다

  • 소자의 시간 제약 조건까지 포함해 회로의 과도 현상을 상세하게 분석합니다. 예를 들어, 이 분석을 통해 슈트 스루(shoot through)를 방지하기 위한 적절한 블랭킹(blanking) 시간을 결정합니다.

  • RF 전력 증폭기나 공진 컨버터 같은 장치의 On 상태 동작점 범위에서 반도체 소자를 사용하는 회로를 설계합니다

  • 테이블 형식의 I-V 곡선 또는 물리학 기반의 비선형 모델

  • 테이블 형식의 전하 모델 또는 물리학 기반의 전하 모델

  • 접합부 및 케이스 열 모델

모델에 적합한 블록 선택

이 표는 각각의 충실도 수준에서 다양한 반도체 소자 유형을 표현하는 데 사용할 수 있는 블록을 보여줍니다. 이 표를 사용하여 반도체 소자를 모델링하기에 적합한 블록을 선택하십시오.

소자 유형

블록
레벨 1

레벨 2

레벨 3

다이오드

  • Diode

    • 모델링 옵션 파라미터를 열 포트 없음으로 설정

    • 다이오드 모델 파라미터를 조각별 선형으로 설정

    • 파라미터화 파라미터를 고정 또는 제로 접합 커패시턴스로 설정

    • 접합 커패시턴스 파라미터를 0으로 설정

  • Diode

    • 모델링 옵션 파라미터를 열 포트 표시로 설정

    • 충실도 수준 파라미터를 이상적 스위칭으로 설정

  • Diode

    • 다이오드 모델 파라미터를 지수 또는 테이블 형식의 I-V 곡선으로 설정

    • 0이 아닌 접합 커패시턴스를 정의하거나 전하 동특성을 모델링을 모델링합니다. 자세한 내용은 Junction Capacitance 항목과 Charge Dynamics 항목을 참조하십시오.

양극성 트랜지스터지원되지 않음지원되지 않음
MOSFET
IGBT
사이리스터
GTO

  • GTO — 모델링 옵션 파라미터를 열 포트 없음으로 설정
지원되지 않음
JFET지원되지 않음지원되지 않음
복합 회로
지원되지 않음지원되지 않음

참고

Diode 블록에 대해 레벨 1 파라미터 설정을 사용하면 해당 블록은 Simscape Foundation Library의 Diode 블록과 같아집니다.

Gate Driver 또는 Half-Bridge Driver 블록을 사용하면 원하는 수준의 충실도로 반도체 블록을 구동할 수 있습니다. MOSFET (Ideal, Switching) 블록과 같이 레벨 1 및 레벨 2 모델을 사용하는 일부 블록은 게이트 드라이버의 전기 모델을 필요로 하지 않는 게이트 단자에 물리 신호 포트를 사용할 수 있습니다. 게이트 드라이버를 변경할 필요 없이, 반도체 소자를 모델링할 블록을 바꿔 게이트 단자의 전기 포트를 사용함으로써 충실도 수준을 손쉽게 변경할 수 있습니다.

Semiconductor Switch Selector 블록은 MOSFET, IGBT, 사이리스터 및 GTO를 모델링하는 다양한 라이브러리 블록들을 하나의 최상위 블록 마스크 아래에 결합합니다. 이 블록을 사용하면 이미 지정한 파라미터 값을 다시 입력하거나 블록을 교체하지 않고도 각 설계 단계에서 충실도 수준을 변경할 수 있습니다.

블록 파라미터화하기

적합한 블록을 선택한 후에는 이를 파라미터화해야 합니다. 반도체 소자를 파라미터화하는 일은 제조업체가 제공하는 정보에 의존하므로 쉽지 않을 수 있습니다. 데이터시트는 레벨 1과 레벨 2 모델에는 좋은 자료이지만, 레벨 3 모델이 필요로 하는 전하에 대한 완전한 정보를 제공하지는 않습니다. 예를 들어, MOSFET의 경우 게이트-소스 전압 및 드레인-소스 전압에 대한 게이트-소스 전하를 테이블 형식으로 작성해야 하는데, 데이터시트는 종종 게이트-소스 전압에 대한 게이트-소스 전하만 제공합니다.

블록 파라미터화 관리자를 사용하여 레벨 1 또는 레벨 2 모델의 일부 블록을 미리 파라미터화할 수 있습니다. 이러한 파라미터 값은 특정 제조업체의 컴포넌트를 나타내며, 제조업체 데이터시트와 일치합니다. 사전 파라미터화된 부품 사용, 이 옵션을 지원하는 블록, 제조업체에서 생산한 모델링 가능한 컴포넌트, 추가 파라미터화 옵션에 대한 자세한 내용은 List of Pre-Parameterized Components 항목을 참조하십시오.

일부 제조업체는 레벨 2 모델을 파라미터화하는 데 사용할 수 있는 데이터를 저장한 XML 파일을 제공합니다. ee_importDeviceParameters 함수를 사용하여 이러한 파일을 Simscape로 가져올 수 있습니다. generateSemiconductorSwitchROM 함수를 사용하면 레벨 3 모델을 해석하기 쉽고 더 빠르게 실행되는 등가의 레벨 2 모델로 변환할 수도 있습니다.

SPICE 분기회로는 일반적으로 레벨 3 모델을 제공합니다. generateSemiconductorSubcircuitROM 함수를 사용하면 SPICE 분기회로를 해석하기 쉽고 더 빠르게 실행되는 등가의 레벨 2 모델로 변환할 수 있습니다.

Simscape Electrical에서 레벨 3 모델을 유지한 채 시뮬레이션하려는 SPICE 분기회로가 있는 경우 다음 옵션 중 하나를 선택하십시오.

  • ee.spice.semiconductorSubcircuit2lookup 함수를 사용하여 분기회로를 테이블 기반 I-V 및 전하 파라미터화에 매핑합니다. 이 방법은 수치적으로 더 신뢰할 수 있으며, 보통은 더 나은 선택이 됩니다.

  • subcircuit2ssc 함수를 사용하여 분기회로를 등가의 Simscape 컴포넌트로 변환하거나 SPICE-Imported MOSFET 블록을 사용하여 이 블록이 지원하는 장치를 모델링합니다. 이 방법은 원본 넷리스트가 일반적으로 특정 SPICE 시뮬레이션 엔진에 최적화되어 있기 때문에 수치적인 시뮬레이션 문제를 일으킬 수 있습니다.

레벨 3에서 반도체를 모델링하는 또 다른 옵션은 SIMetrix Cosimulation Interface 블록을 사용하여 SIMetrix와 Simscape에서 연동 시뮬레이션을 실행하는 것입니다. SIMetrix에서 고충실도(high-fidelity) 반도체를 모델링할 수 있으므로 Simscape에서 반도체를 파라미터화할 필요가 없습니다. 이 옵션은 여러 개의 R, L, C 및 트랜지스터 소자가 있는 SPICE 넷리스트에 유용합니다. Simulink와 Simscape를 사용하여 이상적인 스위칭을 갖춘 반도체 소자를 모델링하는 시스템 수준 모델을 구축할 수 있습니다. 그런 다음, 모델을 검증하기 위해 SIMetrix에서 개발한 전자장치의 상세 설계를 사용하여 연동 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 또한, SIMetrix에서 개발한 회로를 Simscape Electrical의 모터와 같은 현실적인 부하에서 테스트하기 위해 연동 시뮬레이션을 사용할 수도 있습니다.

참고 항목

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도움말 항목