Національний технічний університет України

“Київський Політехнічний Інститут”

Василенко Ольга Валентинівна

УДК 621.314.632+658.512.011.56

макромоделі на основі В-елементів для автоматизованого схемотехнічного проектування

пристроїв силової електроніки

Спеціальність 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Промислової електроніки та електронної техніки” Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України,

м. Запоріжжя.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Переверзєв Анатолій Васильович,

Запорізька державна інженерна академія

проректор з наукової роботи

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор

Рябенький Володимир Михайлович,

Український державний морський

технічний університет,

зав. кафедрою “Електронних систем”

кандидат технічних наук, доцент

Петергеря Юлія Сергіївна,

Національний технічний університет України “КПІ”,

доцент кафедри “Промислової електроніки”

Провідна установа: ВАТ Український НДІ СЕ “Перетворювач” Мінпромполітики України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться “14” жовтня 2002 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.002.06 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, тел. 241-76-62.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”.

Автореферат розісланий “ 10 ” вересня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кондра Б.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Моделювання засобами програм автоматизованого схемотехнічного проектування (АСхП) має стати неодмінним етапом при проектуванні пристроїв силової електроніки, зважаючи на широкі можливості аналізу та оптимізації сучасних програм АСхП і високу вартість макетування. Однак, математичне забезпечення АСхП (моделі та алгоритми) розроблялося для дослідження електромагнітних процесів у малопотужних пристроях і виявилося неефективним для аналізу силових пристроїв, для яких характерні велика розмірність та жорсткість математичних моделей схем (ММС), та, як слідство, втрата адекватності та надмірні витрати часу при моделюванні. Трудомісткість моделювання зростає для пристроїв аналогово-цифрового типу, що пов`язано із необхідністю стикування алгоритмів аналізу аналогової та цифрової частини.

Одним з шляхів вирішення проблеми аналізу пристроїв силової електроніки є використання макромоделей для приладів і пристроїв, що має значно скоротити час моделювання при зниженні точності на 5-10% та призвести до зменшення загальних витрат на проектування; однак наявні в бібліотеках програм АСхП макромоделі деяких елементів силової електроніки та імпульсних регуляторів не відповідають вимогам універсальності й економічності, не враховують сучасний стан інструментального та математичного забезпечення АСхП.

Розвиток елементної бази силової електроніки вимагає створення макромоделей для нових приладів і вдосконалення існуючих, тому актуальною є задача створення засобами АСхП за єдиними методиками універсальних макромоделей приладів та пристроїв силової електроніки, зокрема мішаного типу, які характеризувалися б фізичністю, економічністю, простотою створення, редагування і використання. Ускладнення і підвищення жорсткості схем потребує спрощення алгоритмів аналізу, тому актуалізується задача розробки методик економічного функціонального моделювання.

Аналіз математичного забезпечення та інструментальних засобів АСхП показав, що для підвищення адекватності та економічності моделювання пристроїв силової електроніки необхідно використовувати в якості основи для побудови макромоделей В-елементи – програмовні залежні джерела та модульовані опори, у формат яких входять оператори Бульової алгебри та програмування, за допомогою яких можна задавати алгоритм функціонування приладу чи пристрою.

Зв`язок із науковими програмами, планами, темами. Теоретичні та практичні результати, отримані в дисертації, є складовою частиною держбюджетної науково-дослідницької роботи за програмою Наука-2011 “Розробка і дослідження інтегральних силових модулів на основі комбінованих і функціонально-інтегрованих приладів” у 1994-1996 роках, за програмою Міносвіти України п.04.00 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, п.04.11 “Високоефективні енергозберігаючі та енерготехнологічні системи”.

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності автоматизованого проектування пристроїв силової електроніки шляхом розробки нових методик їхнього економічного аналізу та універсальних, економічних й адаптовних макромоделей напівпровідникових приладів і пристроїв силової електроніки, зокрема, аналогово-цифрового типу.

Поставлена мета вимагає вирішення таких основних задач:

-

-

-

-

Об`єкт дослідження є прилади і пристрої силової електроніки і моделювання їх засобами програм АСхП. Предмет дослідження – макромоделі приладів і пристроїв, які забезпечують підвищення адекватності та економічності автоматизованого схемотехнічного моделювання пристроїв силової електроніки.

Методи дослідження. При виконанні теоретичних досліджень були використані положення теорії автоматизованого схемотехнічного проектування, яка базується на фундаментальній теорії нелінійних схем, графів, обчислювальної математики, програмування, фізики твердого тіла, моделювання. Для розвитку математичного забезпечення етапу синтезу використано теорію нечітких множин із притягненням методів статистичної математики. В якості основних інструментів дослідження використано програми АСхП МАЕС-П, МС6, EWB 5.12, OrCAD9.2, пакет аналізу в Excel2000, математичний процесор MathCAD2000.

Наукова новизна роботи:

-

-

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

–

–

–

–

–

Особистий внесок автора. Наукові положення та практичні результати, що містяться у дисертації, отримані здобувачем особисто.

В основних публікаціях, які надруковані у співавторстві, автору належать:

[1-5, 8] – аналіз фізики, розробка і дослідження макромоделей потужних БПТ, тиристора, IGBT, ДМОНТ, GTO, IGСT, інверторів, імпульсних регуляторів;

[1, 3] – вивід залежностей для блоків зворотного зв`язку макромоделей БПТ, ДМОНТ і IGBT;

[7, 10] – дослідження макромоделей СІТ;

[11, 12] – моделювання каскодних ключів;

[1, 4, 6, 9] – аналіз алгоритмів в АСхП.

Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях: “Проблеми силової електроніки” (Київ, 2000, 2002 рр.), “Силова електроніка та енергоефективність” (Алушта, 1999, 2001 рр.); на всеукраїнській методичній конференції (запоріжжя, 2001 р.); на семінарі “Силовая электроника. Проблемы, направления развития” (Запоріжжя, 2001 р.), на семінарі Наукової ради НАН України “Наукові основи електроенергетики” (Київ, 2002 р.), на наукових семінарах кафедри ПЕ та ЕТ ЗДІА (Запоріжжя, 1997-2002 рр.).

Публікації результатів наукових досліджень. Основний зміст дисертації опубліковано у дванадцяти наукових працях, в тому числі – 11 у фахових наукових виданнях та 1 монографії.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п`яти розділів, висновків, додатків. Загальний обсяг дисертації складає 173 сторінок. На 67 сторінках розміщено 86 рисунків, 7 таблиць, список використаних джерел з 123 найменувань і 4 додатки.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми розробки макромоделей для автоматизованого схемотехнічного проектування пристроїв силової електроніки, сформульовані мета і задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичне значення результатів, подано інформацію про публікації та апробацію роботи, визначено особистий внесок автора та викладено структуру дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячено визначенню проблем у моделюванні приладів та пристроїв силової електроніки шляхом огляду і аналізу моделей і макромоделей таких ключових приладів, як тиристор, потужний біполярний транзистор (БПТ), вертикальний МОН-транзистор (ДМОНТ), IGBT, статичний індукційний транзистор (СІТ), GTO та GСT-тиристор, тиристори із польовим управлінням.

Аналіз функціонування, побудови, переваг, недоліків і областей застосування дозволив розбити макромоделі на два класи:

-

-

Аналіз існуючих моделей показав, що наявність в БМП програм АСхП гібридних макромоделей елементів силової електроніки, які поєднують в собі фізичність та економічність, стає необхідною. Макромоделі повинні бути символьними та адаптовними як для іншого типономінала, так і для іншого програмного забезпечення, їхні вхідні параметри повинні отримуватися з довідників і технічних умов (ТУ). Сформульовано також задачі пошуку в АСхП універсальної інструментально-програмної бази для побудови економічних макромоделей аналогово-цифрових пристроїв.

У другому розділі запропоновано універсальну структурну схему гібридних макромоделей із формалізованим формуванням функціональних схем і рівнянь ієрархічних блоків, розроблено методики і рекомендації щодо створення і перевірки оптимальності макромоделей на основі В-елементів.

Дослідження шляхів підвищення ефективності АСхП пристроїв силової електроніки показало, що при розробці та модифікації макромоделей необхідно враховувати не тільки особливості функціонування потужних ключових приладів, але й сучасний стан математичного і програмного забезпечення АСхП.

Огляд інструментальної бази і можливостей АСхП та класифікація макромоделей за критеріями і способами отримання дозволили визначити гібридні текстово-графічні макромоделі на базі В-елементів, як ті, що відповідають вимогам універсальності та фізичності, сприяють підвищенню економічності АСхП. Для успішного використання В-елементів вивчено їхній синтаксис для текстових моделей, формат завдання в графічних інтерфейсах програм АСхП, особливості функціонування на етапі аналізу.

З метою поповнення математичного та інформаційного забезпечення етапу синтезу запропоновано структурну схему (рис.3) гібридних макромоделей (ГММ) і формалізовано задачу отримання функціональних схем її їєрархічних блоків 1-3:

1.

2.

3.

Структурна схема є універсальною і для пристроїв силової електроніки, якщо при будуванні функціональної схеми приймати до уваги вид передавальної характеристики (функцію схеми).

На основі дослідження принципів зворотного зв`язку (ЗЗ), який характерний для елементів і пристроїв силової електроніки, запропоновано функціональні залежності для блоку 2, що формалізує та прискорює синтез гібридних макромоделей. Рівняння описують явища ЗЗ у приладах силової електроніки в мінімальній формі.

для ефекту Міллєра в приладах із польовим керуванням:

, (1)

де Imill – залежне джерело струму;

Uсв , Uзс – напруги стік-витік і затвор-стік;

Сзс – ємність затвор-стік (Міллєра).

Для врахування ефекту Міллєра через модуляцію вхідної ємності:

Свх=Сзв+Сзс*(1+k*S*Rн), (2)

де Свх – вхідна ємність;

k – коефіцієнт пропорційності;

S – крутість передавальної характеристики в активній області;

Rн – опір навантаження.

Для комплексного відбиття ефектів високого рівня інжекції (Кірка, квазінасичення, Вебстера) у біполярних приладах через модульований опір Rmod “наведеної” бази (див. рис.4):

, (3)

де Rmax, Rmin – межові значення опору приладу в області квазінасичення;

IN – струм, відповідний початку високого рівню інжекції;

Iк – струм колектора.

Для ефекту статичного позитивного зв`язку (аналогу ефекту Ерлі) у біполярно-польових приладах (IGBT, тиристорах із польовим керуванням):

, (4)

де Rmod – модульований опір області дрейфу;

Rmах – максимальний опір, який визначається через питомий опір області дрейфу;

Uзв, Uпор – напруга затвор-витік та її порогове значення.

Для залежностей (2)-(4) розроблено і досліджено програмну реалізацію на базі В-елементів, на основі залежності (1) створено нелінійну функцію-підпрограму. Для макромоделей біполярних і польових приладів розроблено емпіричні методи емуляції ефектів зворотного зв`язку.

запропоновано універсальну методику і рекомендації для підвищення ефективності АСхП при створенні і використанні гібридних макромоделей на основі В-елементів із урахуванням особливостей функціонування приладів і пристроїв силової електроніки і вимог АСхП.

Для синтезу ефективних ГММ розроблено методику перевірки оптимальності макромоделі із точки зору точності та економічності на основі модифікованого методу Харрінгтона із притягненням апарату статистичної математики та теорії нечітких множин. Адекватність макромоделей пропонується визначати за допомогою двохвимірних моделей, фізико-топологічних макромоделей фірми Intusoft та експериментальним шляхом.

Третій розділ присвячено створенню та дослідженню макромоделей біполярних елементів у відповідності до запропонованих методик.

При функціонуванні потужних БПТ у ключових режимах на форму статичних і динамічних характеристик впливають ефекти високого рівню інжекції (див. рис.4). Дослідження потужних БПТ за допомогою моделей Еберса-Молла, Гуммеля-Пуна і Логана показали, що ефекти високого рівня інжекції ними моделюються неадекватно.

В той же час виявлено, що комплексний вплив цих ефектів на функціонування БПТ можна враховувати через модульований опір, зміна якого при незмінних значеннях ємності призводить до зміни часу прольоту, а збільшення його при розрахунку статичних режимів дозволяє адекватно відображати на ВАХ області квазінасичення та враховувати нелінійність залежності коефіцієнта передачі від струму колектора.

Схему заміщення гібридної макромоделі потужного БПТ представлено на рис.5. Із ціллю збереження фізичності та досягнення найвищих показників економічності її побудовано на основі моделі Еберса-Молла.

Експериментальна перевірка показала, що точність запропонованої макромоделі вища на 10-20% у порівнянні з моделями Еберса-Молла і Логана при використанні їх для дослідження потужних БПТ. Порівняно із моделлю Гуммеля-Пуна, макромодель має сумірні значення точності, проте характеризується у п`ять разів меншою кількістю вхідних параметрів, які не вимагають попередніх розрахунків за фізико-топологічними даними приладу, а отримуються за даними довідників і ТУ.

Дослідження модифікації чотирьохтранзисторної макромоделі, яку запропоновано для потужного тиристора, показали її високу адекватність, але складність отримання вхідних фізико-топологічних параметрів, велика розмірність математичної моделі схеми (ММС) і проблеми збіжності стримують її використання в АСхП.

Для цих застосувань пропонується використовувати гібридну макромодель потужного тиристора на основі кусково-нелінійної апроксимації, рівняння якої перемикаються В-елементами у відповідності до алгоритму керування; її схему заміщення наведено на рис.6. Тут В-елементом є джерело ЕК із параболічною апроксимацією ВАХ і умовою переходу до діодної гілки шляхом “знімання” струму з джерела J1. Вхідні характеристики моделюються діодом DKE.

Адекватність моделювання статичних і динамічних характеристик ГММ не гірша за двох-транзисторну макромодель, але порівняно із нею перевагами ГММ є простота визначення вхідних параметрів, яких майже вдесятеро менше, відсутність проблем збіжності.

Незважаючи на все більше поширення в силовій електрониці потужних блокованих тиристорів (GTO), в АСхП ці прилади не мають власної моделі, а використання при дослідженні пристроїв із GTO стандартних двохтранзисторних макромоделей призводять до втрати точності та економічності. Зважаючи на складність функціонування GTO, пропонується динамічна ГММ, рівняння якої отримані за методом керованого заряду. Запропонована ГММ дозволяє отримувати адекватні результати без проблем збіжності, її вхідні параметри отримуються виключно із каталогів фірм-виробників та не вимагають попередніх розрахунків.

Схему заміщення ГММ GTO зображено на рис.7, де програмовне джерело JA (В-елемент), “знімає” струми джерел Jon і Joff ступіней вмикання (І) і вимикання (ІІ) згідно заданому алгоритму.

Спрощена макромодель GTO складається з одного джерела і RL-компонентів, її пропонується використовувати при аналізі початкової схемної надійності пристроїв силової електроніки засобами АСхП. Гібридні макромоделі потужного БПТ і GTO і тиристора вбудовано до бібліотеки Spice-сумісної програми МС6 і програми МАЕС-П.

Четвертий розділ присвячено розробці і дослідженню приладів із польовим керуванням: ДМОНТ, IGBT і СІТ.

Спільність структури та принципів керування дозволили використовувати однакові підходи при розробці макромоделей ДМОНТ і IGBT, виконуючи етапи розробки паралельно. Отримано три різновиди їхніх макромоделей: фізико-топологічну, гібридну і формалізовану.

Фізико-топологічні макромоделі розроблено за даними кристалу, який є прототипом КП711А, що дає змогу перевіряти їхню адекватність двохвимірним моделюванням, але робить використання цих макромоделей незручним для швидкого аналізу в АСхП. Схеми заміщення цих макромоделей отримано композицією елементарних приладів, що складають їхню структуру (рис.8). Систему рівнянь отримано, виходячи із фізики транзисторів. Дослідження пристроїв із ДМОНТ і IGBT підтвердило адекватність цих макромоделей.

Для підвищення економічності моделювання запропоновано гібридні макромоделі, які є модифікацією моделі Шіхмана-Ходжеса 3 рівня, до якої додано блок зворотного зв`язку із емпіричними рівняннями (1-4), завдяки чому враховано ефекти Міллєра та Ерлі. Ці рівняння записуються до атрибутів В-елементів. Схеми заміщення макромоделей ДМОНТ і IGBT наведено на рис.9.

Кількість елементів схем заміщення, час розрахунку вхідних параметрів і моделювання зменшено на порядок порівняно із фізико-топологічними макромоделями, при збереженій адекватності. Макромоделі вбудовано до бібліотек МАЕС-П і МС6 та досліджено в режимі великого й малого сигналу.

На рис.10 представлені порівняльні ВАХ IGBT BUP314, яких отримано за допомогою: а – двохвимірної моделі, б – фізико-топологічної моделі, в – гібридної макромоделі.

Розроблено також формалізовані макромоделі ДМОНТ та IGBT для аналізу початкової схемної надійності пристроїв силової електроніки.

Огляд існуючих моделей для статичного індукційного транзистора (СІТ) дозволив вияснити, що моделі, яка б адекватно моделювала його в біполярному та польовому режимах, із урахуванням особливостей їхніх підрежимів, ще не створено. Розроблена методом спрощення повної моделі на базі інформації, отриманої двохвимірним моделюванням, універсальна макромодель СІТ дозволяє адекватно моделювати статичні і динамічні характеристики приладу. Джерело струму Іс макромоделі СІТ, що управляється вхідною Uз і вихідною Uс напругами, може бути представлено єдиним рівнянням:

, (5)

де Rд – динамічний опір СІТ;

– коефіцієнт підсилення вхідної напруги;

– коефіцієнт підсилення вхідного струму.

Параметри складових рівняння (5) змінюються в залежності від режимів біполярного та польового та їхніх підрежимів. Схему заміщення макромоделі із В-елементами ІС, ІС1, ІС2, які задають кусково-нелінійну апроксимацію ВАХ, параметричну ємність Сзс і модуляцію провідності Ron, зображено на рис.11.

Адекватність ГММ висока, що підтверджено експериментальним шляхом і порівнянням із результатами двох-вимірного моделюванням для СІТ КП926 та БСІТ КП934. Найвища похибка (до 27%) спостерігається в місцях “стикування” апроксимацій.

Перевагами ГММ СІТ є універсальність, простота отримання і розрахунку параметрів, простота побудови текстово-графічних макромоделей в Spice-сумісних програмах АСхП. Розроблено та досліджено також спрощені макромоделі для польового і біполярного режимів окремо.

У п`ятому розділі розвинуто принципи моделювання на основі макромоделей із В-елементами для пристроїв силової електроніки, зокрема, мішаного аналогово-цифрового типу. Макромоделі пристроїв побудовано на основі запропонованої структурної схеми у відповідності до розроблених методик.

Текстово-графічну макромодель імпульсного регулятора знижувального типу (ІР), яку розроблено на основі В-елементу і досліджено в програмі МС6, зображено на рис.12. Завдяки повному використанню атрибутів і можливостей В-елементів доступний аналіз як в режимі малого, так і великого сигналу, на відміну від Spice-макромоделей.

Для оцінки початкової схемної надійності запропоновано програмну реалізацію метода розрахунку, при якому активні елементи або нелінійні пристрої уявляються у вигляді резисторів, опір яких змінюється в моменти комутації згідно алгоритму, описаного в атрибутах В-елементів. Текстово-графічні макромоделі імпульсного регулятора знижувального типу та мостового інвертора струму, яких отримано за цим методом, наведено на рис.13. Керування модульованими опорами, якими представлені ключові прилади, здійснюється незалежним джерелом напруги VY; операторами .define визначаються параметри керування.

Макромоделюваня імпульсних регуляторів та інверторів струму в програмах МС6 та МАЕС-П (рис.14, а, б) підтвердило високу економічність і адекватність макромоделей, отриманих методом модульованих опорів.

Традиційний комбінований алгоритм моделювання аналогово-цифрових силових пристроїв електроніки віднімає багато часу навіть для швидких процесорів, що пов`язано із нелінійністю компонентних рівнянь, високим порядком та жорсткістю математичної моделі схеми, яка отримується композицією повних моделей приладів, труднощами у формуванні й визначенні параметрів Spice-макромоделей цифрових пристроїв, які складаються з моделей входу - виходу, інтерфейсів та динаміки. Крім того, використання для аналізу аналогового та цифрового алгоритмів і процедури “стикування” викликає проблеми збіжності через великий розкид постійних часу в схемі.

Підвищення економічності моделювання досягається шляхом створення функціонально-логічних макромоделей на основі В-елементів універсального виду, придатних для моделювання і аналогової, і цифрової частини пристроїв в межах єдиного аналогового алгоритму. Використання цих макромоделей не тільки дозволяє значно спростити аналіз аналогової частини, але й виключити для цифрової частини алгоритм п`ятизначного моделювання, в якому значення рівнів сигналу дискретизується по п`яти рівнях (1,0,X,F,R), та математично-програмний апарат стикування цих алгоритмів аналізу. В-елементи у функціонально-логічних макромоделях служать для завдання передавальної функції в залежності від часу, частоти та фазових змінних (напруги, струму, потужності).

Схема IGCT для АСхП є аналогово-цифровою: для стикування аналогового та цифрового алгоритмів між логічним драйвером і GСT автоматично додаються цифро-аналогові перетворювачі із схемами живлення та керування; тому важливо отримати макромодель IGСT в цілком аналоговій формі. На рис.15 зображено схему заміщення такої макромоделі; тут В-елементами моделюються як ланцюги драйверу, так і залежності для GСT, яких отримано методом керованого заряду. Перехідні характеристики, отримані макромоделюванням IGСT із демпфуючим ланцюгом, представлено на рис.14, в. Похибка моделювання – в межах 27% .

Для виключення алгоритму п`ятизначного моделювання й багаторазового зменшення часу підготовки до моделювання, відладки та аналізу, цифрові пристрої пропонується моделювати аналоговими функціонально-логічними макромоделями на основі В-елементів, до атрибутів яких записується умови перемикання. Час затримки моделюється аналоговим макросом Delay з бібліотек Spice-сумісних програм АСхП; напруга приймає значення не дискретні (логічні), а безперервні (аналогові).

Розроблена таким чином макромодель потребує вхідних параметрів: часу затримки вмикання, значення нульового та одиничного рівнів напруги.

За цим методом отримано цілком аналогові макромоделі для ТТЛ-інвертору та двохвходових елементів AND-NOT та OR-NOT, яких наведено на рис. 16. Результати макромоделювання наведено на рис.17. Адекватність макромоделей перевірено порівнянням із результатами експерименту для IGСT та моделюванням Spice-моделей ТТЛ-інвертору, елементів AND-NOT та OR-NOT. Макромоделі вбудовано до бібліотеки програми МС6.

В п`ятому розділі визначено поняття та напрямки вдосконалення функціонально-логічних макромоделей, подано методики розробки макромоделей: аналогових та аналогово-цифрових пристроїв на основі модульованих опорів; цифрових пристроїв на основі В-елементів.

В додатках наведено: в додатку А – характеристики, отримані при дослідженні макромоделей приладів; в додатку В – результати моделювання макромоделей пристроїв; в додатку С – методика вбудови макромоделей до БМП Spice-сумісних програм та етапи програмної реалізації методу модульованих опорів; в додатку Д – акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

висновки

В дисертаційній роботі розроблено основні принципи економічного функціонально-логічного моделювання пристроїв силової електроніки засобами програм автоматизованого схемотехнічного проектування.

При проведенні досліджень за темою даної роботи було отримано наступні основні результати:

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

список опублікованих праць за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

АНОТАЦІЇ

Василенко О.В. Макромоделі на основі В-елементів для автоматизованого схемотехнічного проектування пристроїв силової електроніки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2002.

Дисертація присвячена питанням автоматизованого схемотехнічного проектування пристроїв силової електроніки за допомогою функціонально-логічних макромоделей на основі програмовних залежних джерел і модульованих опорів (В-елементів). Використання єдиної формалізованої методики побудови макромоделей, мінімальність їхніх схем заміщення і наборів вхідних параметрів, відсутність проблем збіжності підвищує економічність етапів синтезу і аналізу, дозволяє спростити аналіз аналогово-цифрових пристроїв за рахунок виключення алгоритму п`ятизначного моделювання. на базі В-елементів розроблено гібридні макромоделі для елементів (потужного БПТ, ДМОНТ, IGBT, СІТ, тиристора, GTO) та пристроїв силової електроніки (IGСТ, імпульсних регуляторів, інверторів), цифрових елементів.

Основні результати роботи знайшли застосування при проектуванні і дослідженні пристроїв перетворювальної техніки, в тому числі із інтелектуальними силовими модулями і драйверами цифрової схемотехніки, впроваджені у навчальний процес.

Ключові слова: автоматизація схемотехнічного проектування, математичне забезпечення, функціонально-логічні макромоделі, В-елементи, алгоритми моделювання, ієрархічні блоки.

Василенко О. В. Макромодели на основе В-элементов для автоматизированного схемотехнического проектирования устройств силовой электроники. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2002.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности автоматизированного схемотехнического проектирования (АСхП) электронных устройств путем дополнения математического, методического и информационного обеспечения этапа анализа гибридными макромоделями приборов и устройств силовой электроники, построенных на основе программируемых зависимых источников и модулированных сопротивлений (В-элементов).

Использование предложенной единой формализованной методики синтеза макромоделей средствами АСхП на основе универсальной структурной схемы, минимальность схем замещения и наборов входных параметров, которые рассчитываются по данным справочников, упрощение формы, снижение порядка и уменьшение жесткости систем уравнений математических моделей схем, отсутствие проблем сходимости повышает экономичность этапов синтеза и анализа в АСхП, при контролируемой адекватности моделирования устройств силовой электроники средствами прикладных программ АСхП.

Выдвинуто и экспериментально подтверждено положение о том, что использование в АСхП функционально-логических макромоделей на основе В-элементов позволяет значительно уменьшить время исследования аналогово-цифровых устройств за счет упрощения этапа синтеза расчетной схемы, исключения алгоритма пятизначного моделирования, программно-математических средств стыковки алгоритмов анализа аналоговой и цифровой частей устройств и приведения результатов анализа в постпроцессоре в единой (аналоговой) форме.

В результате анализа элементной базы программ АСхП, В-элементы (Behavioural elements) выбраны в качестве универсального средства для построения экономичных функциональных макромоделей, поскольку их формат позволяет задавать алгоритмы функционирования моделируемого устройства для анализа в режиме малого сигнала (атрибут FREQ) и большого сигнала (атрибут VALUE), благодаря возможности использования оператора программирования IF- THEN-ELSE и логических операторов AND, OR, NOT, связывающих алгебраические и трансцендентные выражения, символьных переменных и текстовых комментариев (как в языке С).

Анализ функционирования таких приборов силовой электроники как БПТ, ДМОПТ, IGBT позволил выявить и классифицировать характерные для силовых приборов биполярной, полевой и биполярно-полевой технологии принципы обратной связи, на основе чего получены новые аналитические выражения и построены на В-элементах универсальные блоки обратной связи, адаптированные для программ АСхП. В результате модификации моделей Эберса-Молла для мощного БПТ и Шихмана-Ходжеса для ДМОПТ и IGBT, точность моделирования возросла на порядок при сохранении параметра экономичности.

В соответствии с предложенными методиками синтеза, адаптации, проверки экономичности и адекватности, на основе анализа функционирования приборов, в диссертации разработаны и исследованы принципиально новые гибридные макромодели для мощного тиристора, GTO-тиристора и СИТ, отличающиеся высокой экономичностью, адекватностью и адаптируемостью под современное программное обеспечение АСхП.

На основе В-элементов разработаны также высокоэкономичные макромодели таких устройств силовой электроники как IGСТ, импульсных регуляторов, инверторов. Предложен новый вид макромоделей на основе В-элементов и для комбинационных устройств цифровой и устройств аналогово-цифровой схемотехники, позволяющий существенно упростить алгоритм их анализа.

Разработана программная реализация для АСхП метода модулированных сопротивлений для оценки начальной схемной надежности устройств, для которой предложена подробная методика. Сущность метода состоит в использовании возможности В-элементов - модулированных сопротивлений изменять свой номинал согласно заданному алгоритму с учетом инерционности. Алгоритм задается подсхемой управления. С помощью этого метода получены адекватные результаты моделирования импульсных регуляторов и инверторов тока.

Разработаные макромодели и новые методики анализа позволяют повысить адекватность и существенно снизить затраты времени при моделировании и проектировании устройств силовой электроники. Макромодели приборов и устройств силовой электроники встроены в библиотеки моделей МАЭС-П и Spice-совместимых программ АСхП: МС5-7, EWB 5.12.

Основные результаты работы нашли применение при проектировании и исследовании каскодных ключей, импульсных регуляторов с интеллектуальными силовыми модулями, устройств преобразовательной техники с драйверами цифровой схемотехники, внедрены в учебный процесс по кафедре промышленной электроники в ДГМА, Алчевск, по кафедре высшей и прикладной математики и на информационно-вычислительном центре в ЗГИА, запорожье, в научно-производственной фирме „Сигма”, Алчевск.

Ключевые слова: автоматизация схемотехнического проектирования, математическое обеспечение, функционально-логические макромодели, алгоритмы моделирования, иерархические блоки, модулированные сопротивления, программируемые источники, В-элементы.

O.V.Vasilenko. macromodels based on B-elements for Power electronic Supplies`s Computer-Aided circuit Design. – Manuscript.

The Thesis for Candidate of sciences degree by speciality 05.09.12 – semiconductor converters of electric energy. – National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2002.

Thesis for scientific degree of candidate is devoted to the problems of computer aided circuit design efficiency increasing by the using of hybrid macromodels of power electronic devices and supplies on the base of programmable depended sources (B – elements). Using of the single formalized macromodel building method and minimizing of substitute schemes, quantity of input parameters and absence of convergence problem increases economic parameters of the CAD`s synthesis and analysis steps. It’s found that usage of universal functional-logic behavioural macromodel allows to simplify the analogue-digital device analysis by excluding of “five-digit” modelling algorithm.

According to the proposed methods the hybrid macromodels of high power electronic units such Power BT, DMOS FET, IGBT, SIT, SCR and GTO thiristors and the hybrid macromodels of high power electronic devices such IGCT, DC-DC Converters, Invertors have been designed and investigated. The main results of the work are implemented in designing of caskode switches and impulse Supplies with intellectual power modules and convertortechnic devices with digital drivers.

Key words: computer aided circuit design, mathematical base, B – elements, functional-logical behavioural macromodels, modelling algorithms, hierarchical blocks.

Василенко Ольга Валентинівна

Макромоделі на основі В-елементів для автоматизованого схемотехнічного проектування пристроїв силової електроніки

(автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук)

Підписано до друку 04.09.2002 р. Формат 60х90/16. Папір офсетний.

Друк різографічний. Умовн. друк. арк. 1. Наклад 100 прим. Зам. № 659.

Видавництво Запорізької державної інженерної академії

69006, м.Запоріжжя, пр.Леніна, 226.

Надруковано друкарнею

Запорізької державної інженерної академії

69006, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226.