MATLAB 및 Simscape Electrical을 활용한 전력전자 회로 설계
Simscape Electrical을 통해 엔지니어들은 설계 초기 단계에서 회로 토폴로지를 탐색하고 컴포넌트 크기를 조정하며, 핵심 설계 판단을 뒷받침하는 맞춤형 트레이드오프 분석을 수행할 수 있습니다. 제조업체 정의 컴포넌트 라이브러리, 컴포넌트 가져오기 기능, 전원, 전기 및 전기기계 부하, 능동 및 수동 소자, 사전 구축된 컨버터 및 제어 템플릿을 비롯한 폭넓은 회로 소자 라이브러리를 제공해 설계 탐색을 빠르고 유연하게 진행할 수 있습니다. MATLAB과의 직접적인 통합을 통해 변수와 제약 조건을 고려하면서 설계 공간을 신속하게 탐색하고 효과적으로 좁혀 나갈 수 있습니다.
MATLAB 및 Simscape Electrical을 활용해 전력 컨버터 및 인버터를 개발하는 엔지니어는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.
- 트레이드오프 분석, 예비 분석 및 최적화를 위해 여러 수준의 모델 상세도로 회로 시뮬레이션
- 시스템 요구사항의 수집 및 관리를 통한 영향 분석 및 커버리지 분석 지원
- 열, 기계 및 주파수 기반 분석 수행
- 결함 주입 연구 수행
- 사전 구축된 공급업체 부품 라이브러리 활용, SPICE 소프트웨어와의 공동 시뮬레이션 및 모델 내보내기
Simulink를 사용해 시스템 수준 시뮬레이션을 수행함으로써 더 많은 설계 옵션을 고려하고 장단점을 비교할 수 있었고, 그 결과 프로젝트의 설계 단계에 더 많은 시간을 투자할 수 있었습니다. 그 덕분에 설계 오류와 통합 문제를 수정하기가 더 쉽고 비용이 적게 들 때 발견할 수 있었습니다.
트레이드오프 분석, 예비 분석 및 최적화
Simscape Electrical은 설계 초기 단계에서 전력 컨버터를 체계적으로 설계하고 트레이드오프 분석을 수행하는 데 두 가지 핵심적인 장점을 제공합니다.
- MATLAB과의 직접적인 통합을 통해 스크립팅, 설계 자동화 및 최적화를 손쉽게 수행할 수 있어, 자동화된 설계 공간 탐색에 이상적입니다.
- 열 특성을 반영한 트랜지스터 모델부터 컨버터의 스위칭과 제어 동작을 추상화한 고수준 거동 모델에 이르기까지 시뮬레이션 상세도에 대한 유연한 제어를 제공합니다.
이러한 기능들이 결합되어 자동화와 모델 충실도가 프로젝트 요구사항에 맞게 조정되는 통합된 환경을 제공합니다.
MATLAB을 활용해 Simscape Electrical 모델 기반의 최적화 및 트레이드오프 분석을 수행하여, 회로 시뮬레이션 과정에서 여러 설계 목표를 고려할 수 있습니다. 비용, 전력 품질 또는 대역폭과 같은 요소를 우선시하되, 최소 효율 또는 요구되는 이득 및 위상 여유와 같은 필수 제약 조건을 충실히 반영할 수 있습니다.
- 이산 및 정수 기반 최적화를 적용해 실제 사용 가능한 표준 컴포넌트를 선택할 수 있습니다.
- 연속 및 이산 제약 조건을 결합해 회로 아키텍처, 컴포넌트 가치, 제어 방식 등을 탐구할 수 있습니다.
- 국소, 전역 및 AI 기반 최적화 전략을 적용하고, DOE(실험계획법)을 활용해 모든 관심 회로 파라미터를 체계적으로 살펴볼 수 있습니다.
주요 예제
다양한 수준의 충실도
Simscape Electrical은 다양한 설계 기준을 충족하기 위해 다양한 수준의 모델 상세도를 갖춘 컴포넌트를 제공합니다. 이를 통해 시스템 수준 분석과 상세 설계 결정을 동일한 워크플로 내에서 수행할 수 있습니다.
시나리오:
- 저수준 제어 루프가 없는 상태에서 비용 및 효율성에 대한 시스템 수준 분석
- 효율과 EMI 간의 트레이드오프를 고려한 게이트 구동 저항 조정
전력전자 반도체에 대한 충실도 수준:
- 상세 비선형 스위치(SPICE 유사): 턴온/턴오프 동역학 및 비선형성을 포착합니다.
- 스위치드 선형 소자: 천이 동역학의 세부 사항을 생략해 스위칭 효과를 빠르게 탐색하고, 미리 계산된 손실 테이블을 활용해 손실을 정량화합니다.
- 평균값 모델: DCM(불연속 전도 모드)를 포함한 고차 시스템 동역학에 중점을 둡니다.
배터리, 모터, IC 등에도 여러 수준의 모델 충실도가 적용됩니다. 일부 세부 사항이 알려지지 않은 경우에도 사용 가능한 데이터를 활용하여 유용한 모델을 구축하고 반복적인 설계를 지원하려면 적절한 충실도를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 불필요한 복잡성을 추상화함으로써 모델 생성, 유지 관리 및 시뮬레이션 속도를 향상시킵니다.
이상적 스위칭 IGBT 모델의 전형적인 i-v 특성. 게이트-이미터 전압이 지정된 임계 전압 Vth를 초과하면 IGBT는 ON 상태가 됩니다. 그렇지 않으면 소자는 OFF 상태가 됩니다.
주요 예제
공급업체 부품 SPICE 넷리스트 및 XML 가져오기
Simscape Electrical은 제조업체가 정의한 컴포넌트 모델링을 다음 세 가지 방식으로 지원합니다.
- 데이터시트 기반 모델링: 공급업체에서 제공한 시뮬레이션 모델이 없고 데이터시트 값이 시스템 수준 분석에 충분할 경우, 제조업체 데이터시트의 파라미터를 사용해 Simscape Electrical 라이브러리 블록을 구성합니다.
- 시뮬레이션으로부터의 파라미터 추출: 제조업체 SPICE 모델을 시뮬레이션해 스위칭 손실, 커패시턴스 프로필 및 열 특성과 같은 핵심 파라미터를 추출하고, 이를 거동 모델의 룩업 테이블에 채웁니다. 이 방식은 내장된 Simscape Electrical 라이브러리 컴포넌트를 사용해 소자 성능을 복제할 수 있습니다.
- SPICE 넷리스트 가져오기: 비선형성과 RLC 기생 소자를 포함하는 SPICE 넷리스트를 사용해 상세한 제조업체 소자 모델을 가져옵니다.
Simscape Electrical은 Infineon® 및 Wolfspeed의 소자 데이터를 포함하고 있으며, 적절한 공급업체 데이터를 제공받으면 어떤 이산 소자에 대해서도 대표적인 모델을 구축할 수 있는 툴을 제공합니다. 이 기능을 통해 전기, 열, 제어 영역 전반에 걸쳐 일관되고 검증된 모델링을 수행할 수 있습니다.
연동 시뮬레이션 및 모델 내보내기
Simscape Electrical은 최종 설계 파일 생성을 위한 EDA 및 레이아웃 소프트웨어를 포함하는 기존 하드웨어 설계 워크플로에 자연스럽게 통합됩니다. 이 통합을 지원하기 위해 Simulink는 연동 시뮬레이션 및 모델 내보내기 기능을 제공해 다양한 설계 환경에서의 활용을 가능하게 합니다. PSpice 및 SIMetrix와 같은 회로 시뮬레이션 툴과의 연동 시뮬레이션을 통해 서로 다른 플랫폼의 강점을 동시에 활용할 수 있습니다. 회로 모델을 C 및 HDL/Verilog 코드로 내보내어 EDA 툴에서 사용할 수 있으며, SystemVerilog와 통합해 Simscape Electrical에서 생성된 모델을 EDA 환경 내에서 실행할 수 있습니다.
주요 예제
열 및 기계적 해석
패키징과 레이아웃은 전력 컨버터 설계에서 매우 중요합니다. Simscape Electrical은 모든 충실도 수준에서 상세한 손실 계산을 제공합니다.
- 트랜지스터 모델의 경우, 스위칭 손실과 도통 손실이 항상 계산됩니다.
- 더 빠른 시뮬레이션을 위한 구간별 선형 모델에서는 손실은 공급업체 표에서 가져오거나 소프트 스위칭 시나리오를 포함한 물리 기반 트랜지스터 모델로부터 자동 생성된 값을 사용합니다.
- 평균값 및 거동 모델은 효율 맵을 통합해 정확한 열 거동과 회로 효율을 유지합니다.
Simscape Electrical은 Cauer 및 Foster 네트워크를 통해 열 모델링을 제공하여 전도, 대류 및 복사 열전달을 시뮬레이션할 수 있습니다. 모델에는 액체 냉각, 2상 냉각 및 열교환기와 같은 고급 냉각 상세 요소를 포함할 수 있어, 회로 설계자가 능동 냉각의 전력 소모를 고려하면서 열 제거 전략을 평가할 수 있습니다.
모터 및 솔레노이드와 같은 전기기계 컴포넌트는 집중 파라미터 표현부터 가져온 FEA ROM(차수 축소 모델)에 이르기까지 다양한 정밀도 수준에서 모델링할 수 있습니다. 이 모델들은 전기 모터에서 볼 수 있는 공간 고조파 및 자기 포화와 같은 효과를 포함하는 상세한 비선형 거동을 반영할 수 있습니다. 전기 및 기계 영역 전반에 걸친 포괄적인 분석을 지원하기 위해 필요에 따라 열 거동을 추가할 수 있습니다.
우리는 Simscape Electrical을 사용해 전기 및 열 영역을 연결하는 통합 전력 시스템 모델을 생성하였으며, 이를 통해 임무 수준 시뮬레이션에서 시스템 전반을 종합적으로 파악할 수 있었습니다. 우리가 태양광 배열을 구동하는 모터를 모델링해야 하는 경우에도, 이러한 기계 컴포넌트들도 다 통합할 수 있는 역량이 있습니다.
주요 예제
제어 루프 설계
전력 컨버터 개발에서 보상기 루프와 물리적 회로 설계는 서로 밀접하게 연관되어 있어, 함께 개발할 때 더 큰 효과를 얻을 수 있습니다. Simulink를 사용하면 엔지니어들은 설계 초기 단계부터 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 이러한 상호작용을 살펴보고 고전 및 고급 제어 기법을 모두 적용할 수 있습니다.
Simulink를 사용해 엔지니어는 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.
- 연속시간(S) 및 이산시간(Z) 영역에서 제어 시스템 설계 및 평가
- 대역폭, 외란 제거, 위상 여유 및 이득 여유 등의 고전 제어 요구사항을 준수하도록 설계
- 주파수 영역의 설계 목표를 오버슈트 및 응답 시간과 같은 시간 영역 성능 제약과 결합
제어 설계를 회로 수준 모델링과 통합함으로써, 엔지니어들은 제어 성능과 하드웨어 트레이드오프를 동시에 평가할 수 있으며, 그 결과 설계 후반 단계의 변경을 줄이고 전체 시스템의 견고성을 향상시킬 수 있습니다.
비디오
- Simulink를 활용한 PMSM의 자속기준제어 – 비디오 시리즈
- Simulink에서 DC-DC 컨버터 제어기를 개발하는 방법 – 비디오 시리즈
결함 주입
Simscape Electrical 컴포넌트는 고장 모델링, 주입 및 분석을 지원합니다. 개별 컴포넌트에는 사전 정의된 고장이 포함되어 있으며, 전용 고장 블록을 통해 사용자는 시스템의 어느 지점에서든 개방 회로 또는 단락 고장을 주입할 수 있습니다. 시뮬레이션 기준, 사용자 입력 또는 특정 시뮬레이션 시간이 고장을 트리거할 수 있습니다. 시뮬레이션 환경은 이러한 거동을 고장으로 인식하기 때문에, 모든 고장 시나리오는 전용 고장 창을 통해 관리되어 체계적이고 철저한 가상 고장 평가가 가능합니다. 이 기능은 필요 시 가상 FMEA(고장 모드 및 영향 분석)를 지원할 수 있도록 확장 가능합니다.
주요 예제
주파수 기반 분석
Simscape Electrical은 주파수 기반 분석과 시간 영역 시뮬레이션을 모두 지원합니다. 이 기능은 전력 품질, 입력 임피던스, 잡음 제거 및 제어 루프 설계를 분석하는 데 필수적입니다. Simscape Electrical 라이브러리의 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하는 경우, 평균값 모델이 도출되어 모델 내에 통합되므로 해석적 주파수 응답과 전달 함수를 즉시 사용할 수 있습니다. 평균값 모델을 적용할 수 없는 불연속성을 포함하는 사용자 지정 모델 토폴로지의 경우, Simulink Control Design의 주파수 응답 식별 툴을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 수동으로 소신호 해석을 수행하거나 평균값 모델을 유도할 필요가 없습니다. 주파수 응답 데이터를 제어 및 최적화 알고리즘과 통합하거나 시스템 식별 툴과 함께 사용해 차수 축소 시간 영역 모델을 생성할 수 있습니다. 수동 수학적 분석은 필요하지 않습니다.
주요 예제
비디오
- Simulink를 활용한 PMSM의 자속기준제어 – 비디오 시리즈
- Simulink에서 DC-DC 컨버터 제어기를 개발하는 방법 – 비디오 시리즈
요구사항 추적성
MATLAB 및 Simulink는 ISO 26262 및 IEC 61508 등의 기능 안전 표준을 준수하도록 설계된 구조화된 하드웨어 설계 워크플로 내에서 요구사항 추적성을 지원하는 포괄적인 환경을 제공합니다. Simulink Requirements, Simulink Test 및 Simscape Electrical을 통해 텍스트 기반 요구사항을 회로 모델, 시뮬레이션 및 테스트 결과에 직접 연결하는 디지털 스레드를 구축할 수 있습니다.
Requirements Toolbox를 사용하기 전에는 하드웨어 테스트 단계에 도달하기 전까지는 요구사항이 잘못되었는지 알 수 없었습니다. 요구사항을 모델에 연결하면 각 요구사항이 어떻게 구현되는지, 그리고 요구사항 간의 관계를 파악할 수 있습니다.
주요 예제
자료 및 지원
