Національний технічний університет України

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ШМАЛІЙ Сергій Леонідович

УДК 621.314.632+658.512.011.56

МАКРОМОДЕЛЮВАННЯ ПРИСТРОЇВ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Електронні системи" 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

Павлов Геннадій Вікторович,

зав. кафедрою комп’ютеризованих систем керування

Національного університету кораблебудування,

м. Миколаїв;а

– кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник Губаревич Володимир Миколайович,

Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,

старший науковий співробітник відділу №8

“Систем стабільного струму”.

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

Захист відбудеться “14” листопада 2006 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.19 у Національному технічному університеті України "КПІ" за адресою: 03056, Київ–56, пр. Перемоги 37, тел. 241–76–62, корп. № 12, ауд. 114.

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

Автореферат розісланий “14” жовтня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.Б. Швайченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Процес наскрізного проектування напівпровідникових перетворювачів електроенергії (НПЕ), як і будь-якого іншого електронного пристрою, включає етапи проектування на структурному, функціональному, схемотехнічному, компонентному, конструкторському й технологічному рівнях. Кожний з етапів характеризується своїми особливостями, методами розрахунку, аналізу й оптимізації. Більш повно досліджені методи автоматизованого проектування для чотирьох останніх з вказаних етапів.

На сьогодні найпотужнішим інструментом для розрахунку, аналізу й оптимізації пристроїв електроніки, в тому числі перетворювачів електроенергії, є програми автоматизованого схемотехнічного проектування (АСхП). Безперервне вдосконалювання програмного й математичного забезпечення програм такого класу (Electronic Computer Aided Design (ЕCAD) - систем MultiSim 2001, МС7, OrCAD 9.2 тощо) дозволяє проектувальникам схем адекватно й швидко одержувати та обробляти в постпроцесорах результати моделювання. Однак, використання традиційного підходу в моделюванні вузлів перетворювачів за електричною принциповою схемою, кожний елемент якої заміняється моделлю, призводить до підвищення розмірності й жорсткості математичної моделі схеми (ММС), і, як наслідок, втрати стійкості обчислювального процесу й надмірних витрат часу. Проблему аналізу пристроїв з електричними схемами великої розмірності можна вирішувати шляхом переходу на більш високий рівень абстрагування від властивостей і фізики реальних об'єктів, шляхом застосування макромоделей.

Проектування пристроїв перетворювальної техніки на схемотехнічному рівні успішно здійснюється засобами ЕCAD; проектування на функціональному й системному рівнях можливе засобами програм Computer Aided Engineering (CAE) і математичних процесорів. Однак, жодна із зазначених програм не забезпечує підтримки всіх етапів спадного/висхідного проектування, від структурного до схемотехнічного.

Таким чином, досить актуальними є завдання розробки методики спадного/висхідного проектування перетворювачів у середовищі ECAD і формування бібліотеки макромоделей основних елементів і пристроїв перетворювачів різного ступеня деталізації від моделей структурного рівня до функціональних і схемотехнічних макромоделей, від фізичних до формальних макромоделей. Вирішення цих завдань дозволить здійснювати комп'ютерне моделювання на різних рівнях проектування (структурному, функціональному й схемотехнічному) методами аналогового макромоделювання в розвинутому середовищі АСхП. Такий підхід дозволить реалізувати ієрархічне проектування з багаторівневим моделюванням, при якому різні частини об'єкта можуть бути представлені з різним ступенем деталізації, тобто на різних рівнях ієрархії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Основні теоретичні розробки й проведені експерименти виконано за участю здобувача в рамках державної програми “Розробка та виробництво електротехнічної продукції загальнопромислового призначення” (шифр “Електротехніка 2005”), і держбюджетних робіт “Розробка напівпровідникових перетворювачів для вітроенергетичних систем на базі асинхронізованих синхронних генераторів”, (шифр 19-1М/2001), “Розробка методів розрахунку й проектування автономних вітроенергетичних систем з асинхронними генераторами та напівпровідниковими перетворювачами” (шифр 19-1П/2004), “Розробка електрогенератора, що забезпечує реалізацію стримерного розряду й вивчення процесів, що протікають під час дії цього розряду на різні середовища (комплексна) (шифр 9-1П/2002)”.

Мета й завдання дослідження

Метою роботи є підвищення ефективності автоматизації проектування напівпровідникових перетворювачів електроенергії шляхом розробки й використання нових методик і макромоделей елементів та пристроїв перетворювачів, що дозволяють забезпечувати моделювання на різних рівнях проектування, від структурного до схемотехнічного, у єдиному розвинутому середовищі АСхП.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі основні завдання:–

розробка способу структурного й функціонального моделювання перетворювачів у середовищі АСхП;–

розробка й адаптація макромоделей силових елементів, включаючи інтелектуальні силові модулі, вузли і пристрої перетворювачів;–

побудова ієрархічних блоків макромоделей вузлів і пристроїв відповідно до рівнів моделювання;–

розробка й адаптація макромоделей пристроїв систем керування, у тому числі й мікропроцесорних;–

практична апробація розроблених методик і макромоделей при проектуванні пристроїв напівпровідникових перетворювачів різного рівня складності.

Об'єкт дослідження – електромагнітні процеси в елементах, вузлах та пристроях напівпровідникових перетворювачів, для моделювання засобами програм АСхП.

Предмет дослідження – макромоделі елементів, вузлів і пристроїв напівпровідникових перетворювачів, які призначені для моделювання на різних рівнях проектування і які забезпечують підвищення ефективності моделювання в середовищі АСхП.

Методи дослідження – при виконанні теоретичних досліджень були використані методи і положення теорії електричних кіл, методи розв’язання алгебраїчних рівнянь, положення теорії інтегрального й диференціального числення, методи апроксимації функцій, теорії автоматичного регулювання, положення теорії автоматизованого схемотехнічного проектування, що базується на фундаментальній теорії нелінійних схем, графів, обчислювальної математики, програмування, фізики твердого тіла, моделювання. В експериментальних дослідженнях електричних процесів використовувалися фізичні моделі, макетні зразки. Як основні інструменти дослідження були використані програми автоматизованого схемотехнічного проектування Micro-Cap 7, MultiSim 2001, MathСad 2000, MatLab 6, Visual Studio NET.

Наукова новизна отриманих результатів:

- одержав подальший розвиток напрямок пов'язаний з проектуванням НПЕ, особливістю якого є можливість виконання поряд із схемотехнічним, структурного й функціонального моделювання в єдиному програмному середовищі АСхП;

- вперше для виконання структурного розрахунку і аналізу перетворювачів розроблені й адаптовані в наявних програмах АСхП макромоделі на основі багатопараметричних функцій та технології моделювання на рівні кодів, що дозволяють здійснювати моделювання пристроїв різного ступеня складності на різних рівнях проектування, запропоновано нові методики такого моделювання;

- одержав подальший розвиток напрямок створення макромоделей силових напівпровідникових приладів. Запропоновано й розроблено макромоделі приладів для різних рівнів проектування, формовані як ієрархічно вкладені, вибір яких при моделюванні здійснюється залежно від реалізованого алгоритму розрахунку і відповідно з вимогами до точності й часу моделювання;

- вперше розроблено нові макромоделі елементів, вузлів і пристроїв систем керування напівпровідникових перетворювачів, включаючи мікропроцесорні системи керування (СК). Сформована бібліотека макромоделей дозволяє здійснювати моделювання СК довільної складності.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблена методика макромоделювання дозволяє забезпечити моделювання складних і зростаючих за ступенем "інтелектуалізації" напівпровідникових перетворювачів на різних рівнях проектування від структурного до схемотехнічного в єдиному програмному середовищі АСхП;

- запропоновані структурні схеми макромоделей з ієрархічно визначеними функціональними можливостями моделей, алгоритм формування математичних моделей істотно скорочує час створення самої моделі й математичної моделі пристрою в цілому;

- використання різних макромоделей силових приладів і пристроїв підвищує економічність моделювання, особливо аналогово-цифрових пристроїв, які є в структурі напівпровідникових перетворювачів електроенергії, під час аналізу електромагнітних процесів і ще у більшому ступені під час синтезу нових пристроїв перетворювачів. Гнучка процедура переходу від одного виду моделі до іншого дозволяє поєднувати глибину аналізу з його всебічністю, дає можливість вибирати, у міру необхідності, точність або швидкість моделювання;

- запропоновані макромоделі й алгоритми моделювання адаптовані в наявних програмах АСхП, допускають удосконалювання моделей і розширення їхньої кількості, що сприяє збільшенню можливості моделювання все більш складних пристроїв, включаючи розрахунки процесів, що відбуваються в пристроях автоматичного регулювання в реальному масштабі часу;

- з використанням розроблених методик і макромоделей виконано проектування силового вузла тиристорного перетворювача на структурному, функціональному й схемотехнічному рівнях у єдиному програмному середовищі АСхП;

- розроблені методики і макромоделі використовуються при проектуванні й проведенні наукових досліджень у науково-дослідному інституті силової електроніки "Перетворювач", на заводі "Перетворювач", на кафедрі "Електронні системи" ЗДІА (м. Запоріжжя), на кафедрі "Електроніка та автоматика" ДГТУ (м. Дніпродзержинськ), використовуються в навчальному процесі зазначених навчальних закладів.

Особистий внесок здобувача

Наукові положення та практичні результати, що висвітлені в дисертації, отримані здобувачем особисто.

Авторові належать такі основні результати:

- запропоновано та обґрунтовано новий спосіб спадного/висхідного проектування на структурному, функціональному й схемотехнічному рівнях у єдиному програмному середовищі АСхП;

- розроблені нові методики структурного й функціонального моделювання з використанням багатопараметричних функцій і технології моделювання на рівні кодів;

- розроблена методика побудови ієрархічно вкладених макромоделей силових напівпровідникових приладів і силових елементів перетворювачів на їхній основі; макромоделі цифрових і мікропроцесорних пристроїв систем керування перетворювачів, що дозволяють виконувати математичне моделювання з використанням алгоритмів, що використовуються для розрахунку аналогових пристроїв.

Апробація результатів дисертації

Основні результати доповідалися й обговорювалися на міжнародних конференціях: "Силова електроніка й енергоефективність" (СЕЕ 2002-2004); Міжнародної конференції “Проблеми сучасної електротехніки-2004” (7–10 червня 2004 р., Київ, Україна); на науково-практичних семінарах НДІ силової електроніки "Перетворювач" і кафедри "Електронні системи" ЗДІА (Запоріжжя, 1999 - 2004р.), а також на IX і X науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і студентів ЗДІА (19 - 23 квітня 2004р.) і (19-22 квітня 2005р.).

Публікації результатів наукових досліджень

Основний зміст дисертації опублікований в 11 наукових статтях, з яких 9 - у провідних фахових виданнях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків. Загальний обсяг дисертації становить 173 сторінок. На 82 сторінках розміщено 97 рисунків, 3 таблиці, список використаних джерел із 91 найменування і 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовано мету та завдання досліджень. Викладено наукову новизну й практичне значення результатів, подано інформацію про публікації та апробацію роботи, визначено особистий внесок автора та викладено структуру дисертаційної роботи.

У першому розділі наведена класифікація перетворювальних пристроїв за групами. Відзначено, що велика різноманітність перетворювачів може відрізнятися структурою і принципами побудови, вхідними та вихідними параметрами, технічними рішеннями тощо, але всі вони мають загальні елементи, вузли, пристрої, які можуть бути представлені макромоделями і використовуватися для моделювання та проектування перетворювачів, тобто може бути створена бібліотека макромоделей для проектування перетворювачів різних типів.

Проведено аналіз тенденцій розвитку сучасної елементної бази, що використовується в перетворювальних пристроях. Відзначено, що основними, найбільш перспективними, являються польові транзистори (МДН), біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBT), інтегрований із драйвером тиристор GCT (IGCT). Однак, продовжують широко використовуватися біполярні транзистори (БПТ), статичні індукційні транзистори (СІТ), тиристори, що замикаються (GTO) та ін., ряд комбінованих схем приладів на основі МДН, СІТ і GTO. Визначено сфери застосування кожного з наведених приладів, зроблено висновок про необхідність розглядати всі вказані типи приладів. Виявлено також, що силові прилади представлені переважно моделями схемотехнічного рівня, а моделі функціонального і структурного рівня практично відсутні і тому потрібна розробляти такі моделі та обґрунтовувати області їх адекватного використання.

Проведено аналіз методів моделювання напівпровідникових перетворювачів. Для дослідження електромагнітних процесів у напівпровідникових перетворювачах електроенергії широко використовуються прямі й частково автоматизовані методи розрахунку, які враховують особливості пристрою й прийнятий вид його моделі: це модифікований метод окремих складових, група операторних методів, метод змінних стану, RS-метод тощо.

Відзначено, що на цей час дослідження роботи систем з перетворювачами переважно ведуться з використанням методів математичного моделювання із застосуванням ЕОМ. При цьому виділяються два підходи. Перший полягає в написанні спеціалізованої програми розрахунку конкретно для досліджуваного пристрою. Його переваги: наочність, безперервний зв'язок дослідника з фізичною картиною модулюємих процесів і мінімальний час рахунку на ЕОМ. Недоліки: більш велика трудомісткість при підготовці й налагодженні програми, необхідність заново виконувати всю роботу при зміні системи, що модулюється. Другий підхід полягає у використанні універсальних програм, заснованих на топологічному описі схеми. Перевагами цього методу є те, що математичне забезпечення універсальних програм постійно удосконалюється в плані підвищення ефективності обчислювального процесу. Точність розрахунків підвищується завдяки використанню методів розрахунку високого порядку. Крім того, наявність зручного інтерфейсу, можливість швидкої обробки результатів створюють хороші умови для користувачів. Але при цьому методі користувач, як правило, не в змозі вносити зміни в такі пакети прикладних програм. Крім того суттєво збільшується час розрахунку схеми.

У розділі розглянуто переваги й недоліки різних пакетів програмного забезпечення (MatLab 6.1, MathCad 2001, Micro-Cap 7, MultiSim 2001), у яких закладені можливості дослідження перетворювальних пристроїв. Визначено, що у пакеті MultiSim 2001 на рівні ядра програми реалізована підтримка технології моделювання на рівні кодів (Code-Level Modeling), яка може бути застосована для розробки методики структурного й функціонального моделювання в середовищі АСхП.

Другий розділ присвячено розробці методики структурного й функціонального моделювання з використанням функціональних елементів, В-елементів, які є спрощеним аналогом мов опису й проектування апаратури HDL (Hardware Description Languages).

Порівняльний аналіз програм CAE, ECAD і математичних процесорів з погляду використання їх як інструмента автоматизації всіх етапів проектування електронних систем показав, що ECAD є найбільш універсальним і перспективним програмним засобом забезпечення структурного й функціонального проектування, оскільки має інтуїтивний інтерфейс, велику кількість моделей і макромоделей у бібліотеці, ширші можливості постпроцесору для доступних видів аналізу та обробки інформації і дозволяє організувати повний цикл наскрізного проектування.

Моделювання поводження систем у середовищі ЕCAD можливо за умови формування великих бібліотек макромоделей електронних вузлів на основі В-елементів. При переходах між рівнями проектування зміна макромоделі здійснюється на основі бібліотечного методу, а не шляхом компіляції, як у випадку використання HDL. Використання ієрархічно вкладених макромоделей дозволяє аналізувати систему в цілому, при цьому її структура залишається незмінною. Скорочені (порядок яких мінімальний) формальні макромоделі поведінки можуть комбінуватися з моделями й макромоделями схемотехнічного рівня, найбільш фізичними власне кажучи, або моделями поведінки функціонального рівня, що дозволяє поєднувати глибину аналізу з його всебічністю.

Розширено поняття В-елемента на структурний і функціональний рівні моделювання. Виявлено, що високі показники економічності дають макромоделі на основі модульованих опорів і програмувальних джерел, але більш широкі функціональні можливості досягаються використанням В-елементів з багатопараметричними функціями.

Теорію використання багатопараметричних функцій для системного аналізу і синтезу напівпровідникових перетворювачів розроблено Макаренком М.П. Багатопараметричні функції являють собою рівняння, які відображають процес перетворення вхідної енергії в перетворювачі у вихідну енергію.

Розроблені макромоделі на основі В-елементів з багатопараметричними функціями дозволяють залежно від ії складності скоротити час моделювання в програмах АСхП до 3 разів, порівняно з моделюванням у пакеті Mathcad, якій використовував автор Макаренко М.П.

Розроблені макромоделі керованого випрямляча, інверторів з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) та амплітудно-широтно-імпульсною модуляцією (АШІМ). Так, для макромоделі керованого випрямляча використовується багатопараметрична функція:

, (1)

де E2m і ? – амплітудне значення й початкова фаза вхідної напруги;

?1=2·?·f1 – кругова частота вхідної напруги;

?(t) = 0 … 180? – величина кута керування.

Даний вираз заноситься до атрибуту VALUE нелінійного функціонального джерела (В-елемента) ЕPSI макромоделі випрямляча, схемотехнічне зображення якої наведено на рис. 1.

Як видно з рис. 1, макромодель випрямляча - це чотирьохполюсник, який має виводи для з’єднання з макромоделями інших елементів та пристроїв. Вузли на рис. 1 позначені: IN – вхід, OUT – вихід випрямляча, Alfa – кут керування, Ground – загальний полюс.

Вид макромоделей інверторів з ШІМ та АШІМ подібний до рис. 1 і відмінність полягає переважно у виразі, що описує функціонування блоків.

Так для інвертора с ШІМ вихідна напруга за допомогою моделюючої функції може бути визначена:

(2)

де UЖ напруга живлення інвертора;

MF(t) – модулююча функція з одиничним амплітудним значенням:

(3)

де Uem (t) – амплітудне значення еталонної напруги;

UР (t) – розгортка напруги пилкоподібної форми частотою f2= ?2/2?;

UУ (t) – напруга управління.

Отримані результати при проведенні моделювання блоку інвертора із ШІМ при Uвих = 1000 Вольт, та частоті 10 кГц, показані на рис. 2. На якому: V1 – вихідна напруга макромоделі інвертора, V2 – форма напруги на RL – навантаженні.

Результати моделювання з допомогою розробленої макромоделі та аналогічної моделі в пакеті Mathcad не відрізняються, але час на моделювання в Mathcad більший майже втричі.

Таким чином, можна сформулювати методику одержання макромоделей з використанням В-елементів з багатопараметричними функціями:

1. Отримуються функції передачі приладу.

2. Отриманий вираз заноситься до атрибуту VALUE нелінійного функціонального джерела (В-елементу) NF.

3. У редакторі Shape Edіtor, який входить до складу МС7, створюється форма майбутньої макромоделі у вигляді чорного ящика з необхідною кількістю виводів.

4. До створеної форми з виводами прикріплюється з використанням Component Edіtor функціональне джерело або їх сукупність з іншими елементами, що забезпечують роботу моделі. Після здійснення даної операції в бібліотеці елементів з'явиться нова макромодель, готова до використання в будь-якому проекті.

5. Здійснюється нумерація вузлів за їхнім функціональним призначенням.

6. Як початкові значення до параметрів отриманої макромоделі при потребі вводяться потрібні величини.

7. Після включення моделі у схему проводяться дослідження.

Рекомендовано у випадках, коли неможливо отримати аналітичні залежності для В-елементів, використовувати технологію моделювання на рівні кодів.

За допомогою такого способу моделювання можна описати мовою високого рівня будь-яку складну систему і промоделювати її. Завдяки тому, що технологія моделювання на рівні кодів інтегрована у XSPICE, яка являє собою нове розширення SPICE і відкрита для моделей на мові Сі, всі створені моделі можуть використовуватись у інших сумісних програмах.

Застосування технології моделювання на рівні кодів у роботі показано на прикладі розробки макромоделі стабілізаторів та випрямлячів і як наслідок, запропонована така методика створення макромоделі будь якого пристрою НПЕ:

1. Розробляється алгоритм роботи пристрою або одержуються рівняння передатної функції, що описують роботу майбутньої моделі.

2. Отриманий алгоритм або функція переводиться на мову програмування Сі.

3. Використовуючи стандартні засоби програмування для мови Сі, компілюється код у бібліотеку DLL, що динамічно підключається.

4. Вбудовані засоби використовуються в програмах моделювання по створенню форм для макромоделей і зв'язку їх з отриманими бібліотеками, що вміщують код моделювання. Нова макромодель розміщується в бібліотеці моделей користувача.

5. При необхідності задаються параметри, яким при створенні макромоделі присвоюються деякі початкові значення.

Далі, використовуючи бібліотеку користувача, можна включати створену макромодель у досліджувану схему або досліджувати її як самостійний елемент.

Таким чином можна відмітити, що використання матеріалів цього розділу дозволяє суттєво розширити стандартне математичне забезпечення ECAD, доповнити в АСхП етапи структурного та функціонального проектування і забезпечити можливість використання наскрізного проектування від структурного до конструкторського.

Третій розділ присвячений питанням макромоделювання силових елементів і пристроїв напівпровідникових перетворювачів. Запропоновано методику, яка має загальну основу при створенні макромоделей дискретних приладів, модулів, вузлів, блоків і т.д., з використанням технології "моделювання на рівні кодів", що підтримується програмою XSPICE.

Макромоделі ключових силових приладів (БПТ, ІGBT, МДН, СІТ, GTO, GCT , IGCT) реалізуються як ієрархічні вкладені. Запропоновані зручні повні моделі для схемотехнічного моделювання й проектування, але можуть використовуватися моделі, які надаються виробником напівпровідникових приладів. Для структурного й функціонального рівня розроблені макромоделі з більш високим рівнем абстрагування, опис яких отримано як фізичним, так і формальним способом. Вибір виду моделі силового приладу здійснюється по команді користувача (рис. 3) в блоці “перемикання алгоритму моделювання”. Вибір моделі для структурного, функціонального та схемотехнічного рівнів, які містяться відповідно в блоках 1, 2, 3, здійснюється через блоки L1, L2, L3.

Так, повна модель БПТ і біполярного транзистора із статичною індукцією (БСІТ) для схемотехнічного проектування наведена на рис. 4,а і має відомий вигляд. В пропонованій моделі спрощений опис джерела струму Ік (Іс) шляхом формальної апроксимації вольт-амперної характеристики (ВАХ) БПТ. Ураховано модульований опір області колектора, що дозволило більш точно описати ВАХ силових транзисторів. Спрощено процедуру визначення параметрів моделі. Макромодель стала більш зручною для використання в програмах АСхП.

Похибка моделювання статичних характеристик в області великих струмів і напруг не перевищує 20% у порівнянні з експериментальними, що цілком припустимо при високій економічності макромоделі. В області малих струмів цей показник не перевищує 10%. Порівняння із відомими моделями свідчить, що похибка моделювання статичних характеристик БПТ за допомогою запропонованої моделі менша, ніж при моделюванні традиційними моделями Эберса-Молла й Гуммеля-Пуна.

В макромоделі (рис. 4,б) ще більш спрощений опис керованого джерела струму, що дозволяє використовувати цю модель і для функціонального моделювання.

Для моделювання роботи БПТ і БСІТ у динамічному режимі задаються нелінійні залежності ємності СБЕ (СЗВ) і СБК (СЗС). У найпростішому випадку вони можуть бути прийняті у вигляді констант.

Для структурного та функціонального моделювання пропонується спрощена макромодель та більш просте подання джерела в моделі (рис. 4,в), у вигляді керованого опору.

Аналогічно представлені моделі МДН, IGBT, GTO.

Розроблена модель ІGCT включає модель тиристора й вузла керування станом тиристора і також може мати різний рівень складності залежно від рівня моделювання. Порівняння розрахунків перехідних процесів у тиристорному силовому ключі на ІGCT з експериментом показало збіг характеристик (похибка не перевищує 15%).

У зв'язку з більшою різноманітністю типів "інтелектуальних" інтегральних силових модулів розглянуто макромодель типового модуля (рис. 5), в якому реалізовані функції захисту. Використовується сукупність параметрів, яка задана користувачем, значення діючих у схемі струмів і напруг. В алгоритмі функціонування макромоделі враховуються особливості подання модуля на різних рівнях проектування, а також тип використаного ключового силового приладу (БПТ, ІGBT, МДН, СІТ, GCT), який також вибирається по команді користувача.

З метою перевірки адекватності запропонованої макромоделі інвертора моделювався високовольтний модуль, параметри та схемотехніка якого відомі. Похибка моделювання не перевищувала 10%. З використанням даної моделі був промодельований інвертор напруги.

Розроблені макромоделі силових ключових елементів із ключовими БПТ, БСІТ і тиристорами, що замикаються. Виявлено, що для забезпечення похибки менше 10% при розрахунку динамічних режимів досить ураховувати ємності тільки основного ключового силового приладу, решта приладів може бути представлена безінерційними джерелами струму й напруги.

Четвертий розділ присвячений моделюванню елементів систем керування перетворювача. При моделюванні аналого-цифрових схем у всіх сучасних програмах АСхП при трансляції графічної схеми у вхідну мову SPICE відбувається автоматичне розщеплення кожного вузла на два –аналоговий і цифровий, а між ними встановлюється цифро-аналоговий або аналогово-цифровий інтерфейс. Між двома перетвореннями використовується логічне п'ятизначне моделювання. З метою виключення алгоритму логічного моделювання й пов'язаного із цим багаторазового перетворення видів моделювання, а також зменшення обсягу опису схем і часу моделювання, запропоновано моделювати цифрові пристрої за допомогою В-елементів, у які записується умова перемикання за вхідною напругою, а вихідна напруга приймає значення нуля або одиниці, але не дискретно (логічно), а безперервно (аналогово). Час затримки моделюється аналоговим макросом Delay. Проміжні дані й константи визначаються оператором define. Вхідними параметрами макромоделі цифрового пристрою є час затримки включення/вимикання (d), тривалості фронтів (tf), опір каналів відкритих вихідних транзисторів (rk), значення нульового та одиничного рівнів напруги (Vone). Завдяки такому підходу до моделювання з'являється можливість розраховувати не тільки затримки, але й потужність, що розсіюється на логічних елементах у момент перемикання і у такий спосіб оцінювати тепловий режим пристрою. Як відомо, саме в ці моменти виділяється найбільша динамічна потужність, що призводить до нагрівання й можливого виходу пристрою з ладу.

Створення макромоделі логічного елемента показано на прикладі логічного інвертора. В-елемент, що входить у модель, показану на рис. 6,а, запрограмований так, щоб формувати значення вихідної напруги згідно з логічною функцією. Затримка в часі здійснюється макросом Delay, вхідний параметр якого дорівнює у цьому випадку для МДП-інвертора - 22 нс., та відповідає типовому часу затримки перемикання логічного інвертора. Резистор R1, який входить до складу макромоделі, служить для виміру втрат потужності при перемиканнях. Значення резистора задається через систему параметрів макромоделі й визначається опорами каналів відкритих вихідних транзисторів у КМОП мікросхемі. У середньому для схем з буферними каскадами значення опору задається рівне 2 кОм.

Результати розрахунку перехідних характеристик у вузлах Вх. і Вих. (див. 6,а) наведені на рис. 6,б. На рис. 6,в показані імпульси втрат миттєвої потужності при перемиканні та ії усереднене значення, що обчислюється засобами програми Micro–Cap 7, шляхом виклику відповідної функції.

У результаті видно, що імпульс потужності досягає значення 50 мВт, а його середнє значення на один логічний елемент становить 3мВт при частоті 1 МГц. Отримані результати практично збігаються з довідковими даними, де наведені значення споживаної потужності на рівні 20мВт на корпус. З огляду на те, що в одному корпусі перебувають по 6 логічних інверторів, то отримана при моделюванні потужність дорівнює 18 мВт. Незначні розбіжності пояснюються розкидом опору каналу для різних типів мікросхем (від 1кОм до 4кОм) і можуть бути уточнені при необхідності для конкретної ІМС.

Можна визначити, що використання функціональних В-елементів за інших рівних умов більш вигідне, тому що час моделювання скорочується у двічі, час підготовки до моделювання - на порядок.

Аналогічно розроблені макромоделі двовходових елементів ТАК та АБО з інверсними виходами.

Як пристрої систем керування розроблені макромоделі ШІМ, універсального джерела, дільника частоти й мікропроцесора. Макромодель мікропроцесора розроблялася з використанням його алгоритму роботи і містить у собі програму функціонування інвертора з функціями захисту.

На рис. 7 показано спрощений фрагмент силової частини інвертора, з відповідними позначками керуючих сигналів мікропроцесора й силової частини. На керуючих електродах показаний порядок підключення до відповідних виводів мікропроцесора.

На рис. 8 показані діаграми керуючої напруги для ключів під номерами ліворуч із 1 по 6, що відповідають номеру керуючого електрода тиристора на рис.7. У випадку перевищення певного значення струму або напруги на контролюючих входах (7-9 по струму й 10-12 по напрузі) мікропроцесор припиняє видачу керуючих сигналів на ключові елементи, у такий спосіб реалізується захист силових елементів. Це наочно видно на рис.8 у той момент часу, коли виникає перевантаження по струму у фазі В. На рис. 8 це відповідає сигналу під номером 8. У цей же момент керуючі сигнали 1-6 стають рівними нулю.

Таким чином, показано, що розроблена методика створення аналогових моделей цифрових елементів може бути використана при створенні макромоделей більш складних цифрових пристроїв, таких як мікропроцесори, запам'ятовуючі пристрої та ін.

П’ятий розділ присвячений проектуванню вузлів напівпровідникових перетворювачів з використанням розроблених методик та макромоделей.

У розділі виконана розробка силового вузла тиристорного перетворювача для тягового двигуна дизель-поїзда від структурної до принципової схеми. Показано, як на основі заданого алгоритму керування створюється структурна макромодель вузла, формуються макромоделі функціональних схем пристроїв, на основі яких потім формуються принципові схеми.

Структурна схема силового вузла тиристорного перетворювача показана на рис.9. Відповідно до вимог і алгоритму роботи розроблена макромодель вузла логіки тиристорного перетворювача, яка наведена на рис.10, а відповідна їй функціональна схема на рис.11.

В макромоделі вузла логіки на рис. 10 джерело V3 моделює джерело живлення схеми, резистор R1 є навантаженням, а V1 - є генератором імпульсів.

Через виводи "psense" і "isense" у модель подаються поточні значення напруги й струму відповідно. Через вивід "diaganode" контролюється напруга на тиристорі, яка визначає відкритий або закритий тиристор, дозволяючи або забороняючи тим самим проходження керуючих імпульсів з входу "IN". Через вивід "source" у модель для контролю подається напруга живлення схеми. З виходу "out" знімаються керуючі імпульси, які подаються далі на підсилюючі каскади.

Моделювання може бути виконане за функціональною схемою (див. рис. 11) з використанням аналогового алгоритму, або за повною принциповою схемою відомими методами АСхП, яка будується із функціональної схеми зміною функціональних елементів їх принциповою схемою.

Для функціонування вузла перетворювача необхідно забезпечити стабільні напруги живлення +17В для ланцюгів форсування й запирання, +12В для живлення логічного вузла і -5В для ланцюгів зсуву. Спроектоване імпульсне джерело живлення, яке реалізоване із застосуванням мікроконтролера. Оскільки спроектоване джерело живлення містить вузли й пристрої (мікроконтролер, блоки ШІМ, генератор пилкоподібної напруги (ГПН), схеми захисту та ін.), макромоделі яких розглянуті раніше, то заміна блоків імпульсного джерела живлення їхніми макромоделями дає структурну макромодель джерела (рис. 12).

Поєднуючи функціонально коди окремих макромоделей, одержуємо єдину макромодель мікроконтролера (рис. 13), до параметрів якої можна віднести рівні вихідної напруги для керування силовими ключами, граничні значення напруги й струму для забезпечення захисту, а також частоту імпульсів керування, що подаються на силові елементи. Також у параметрах ураховується певний рівень напруги живлення, при виході якої за припустимий діапазон мікроконтролер може блокувати роботу для виключення аварійних ситуацій.

Виконано моделювання силових ключів на схемотехнічному рівні одночасно з використанням структурного та функціонального моделювання інших пристроїв джерела живлення, що дозволило визначити тривалості затримок і фронтів та розрахувати потужності на силових елементах і тим самим обґрунтувати їх вибір.

Таким чином, показаний повний цикл проектування вузлів перетворювачів на основі методик викладених в 2-4 розділах даної роботи. Отримані в результаті макромоделі дозволяють проектувати силові вузли тиристорних перетворювачів на різні потужності й на різній елементній базі.

У додатках наведено опис програм розроблених макромоделей пристроїв мовою Сі, які включають функції роботи однонапівперіодного й двонавпівперіодного випрямлячів, універсального джерела, блоку із ШІМ і АШІМ, стабілізатора потужності. Також наведений опис схеми ключа на GTO мовою SPICE у режимі аналізу перехідних характеристик і представлена принципова електрична схема тиристорного інвертора.

ВИСНОВКИ

1. У роботі одержали подальший розвиток теорія й практика проектування напівпровідникових перетворювачів.

Розроблено спосіб макромоделювання й створення макромоделей елементів, вузлів, блоків і систем напівпровідникових перетворювачів, що дозволяє розглядати прикладні завдання моделювання складних і зростаючих за ступенем "інтелектуалізації" напівпровідникових перетворювачів на різних рівнях проектування, від структурного до схемотехнічного в єдиному програмному середовищі автоматизованого схемотехнічного проектування, а гнучка процедура переходу від одного виду моделі до іншого дозволяє поєднувати глибину аналізу з його всебічністю, вибирати, за необхідностю, точність або швидкість моделювання.

2. Запропоновані методики структурного й функціонального проектування напівпровідникових перетворювачів на основі ECAD. Для розвитку наявних моделей у середовищі ECAD розроблені й апробовані макромоделі вузлів перетворювачів для системного й функціонального моделювання на основі В-елементів із багатопараметричними функціями та на основі технології моделювання на рівні кодів, що забезпечують спрощення формування математичної моделі системи й скорочення часу моделювання.

3. Розроблені макромоделі ключових силових приладів (БПТ, IGBT, МДН, СІТ, GTO, IGCT) представлені як ієрархічно вкладені. Запропоновані повні моделі приладів для схемотехнічного моделювання і проектування, які, як правило, мають менше параметрів та їх спрощене визначення порівняно з відомими. Для структурного й функціонального рівня розроблені гібридні макромоделі з більш високим рівнем абстрагування, опис яких отримано як фізичним, так і формальним способом. Розроблений алгоритм забезпечує здійснення вибору виду моделі по команді користувача.

Показано, що похибка спрощених макромоделей не перевищує 15% порівняно з повними моделями.

4. Розроблено макромоделі силових елементів перетворювачів: інтегральних силових модулів, складових ключових елементів, випрямлячів та ін. В алгоритмі функціонування передбачена можливість подання макромоделі модуля на різних рівнях проектування, з різними типами використаних ключових силових приладів (БПТ, IGBT, МДН).

5. Запропоновані макромоделі цифрових логічних елементів, які дозволяють виключити цифровий алгоритм при моделюванні цифрових та змішаних аналогово-цифрових пристроїв і забезпечити скорочення часу моделювання від 2 до 10 разів, залежно від складності пристроїв, при формуванні самої математичної моделі пристрою і при подальшому моделюванні. Перевагою моделей є можливість розрахунку перехідних процесів у пристроях і аналізу, при необхідності, теплових виділень у елементах.

6. Показано, що розроблена методика створення аналогових моделей цифрових елементів може бути використана для побудови макромоделей більш складних цифрових пристроїв, таких як дільника частоти, блоку ШІМ та ін.

Розроблена макромодель мікропроцесора відображає всі основні наявні функції керування й діагностики й допускає розвиток можливостей макромоделі при реалізації нових алгоритмів функціонування мікропроцесорів.

7. На основі розроблених методик макромоделювання проведено проектування окремих вузлів і блоків перетворювачів.

Виконано розробку силового вузла тиристорного перетворювача для тягового двигуна дизель-поїзда від структурної до принципової схеми. Показано, як на основі заданого алгоритму керування створюється структурна макромодель вузла, формуються функціональні макромоделі вузлів логіки формувача імпульсів керування тиристора та джерела живлення, на основі яких створюються принципові схеми вузлів.

Отримані в результаті макромоделі дозволяють проектувати силові вузли тиристорних перетворювачів на різні потужності й на різній елементній базі.

8. Вірогідність і обґрунтованість отриманих у роботі результатів наукових досліджень забезпечуються коректністю досліджень прийнятих припущень, зіставленням розрахунків з експериментальними даними й раніше відомими з літературних джерел розрахунками.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Переверзєв А.В., Василенко О.В., Шмалій С.Л. Макромодель GTO //Технічна електродинаміка. – 2001. – №3. – С.42-48.

Здобувачем проведене дослідження перехідних процесів макромоделі GTO.

2. Переверзев А.В., Василенко О.В., Шмалий С.Л. Экономичная макромодель мощного БПТ //Електротехніка та електроенергетика. Запорізький національний технічний університет. – 2002. – №1. – С.12-14.

Здобувачем проведене експериментальне дослідження моделі БПТ, та порівняння з результатами моделювання.

3. Переверзєв А.В., Василенко О.В., Алєксєєв О.Г., Шмалій С.Л. Економічне макромоделювання на основі В-елементів цифрових елементів пристроїв силової електроніки //Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність", частина 3. – 2002. – С. 21-24.

Здобувачем розроблена методика аналогового моделювання.

4. Переверзев А.В., Василенко О.В., Шмалий С.Л., Прокопенко Р.В. Моделирование систем преобразовательной техники //Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність", частина 1, – 2003. – С. 73-78.

Здобувачем проведене дослідження макромоделі СОФУ.

5. Переверзєв А.В., Василенко О.В., Шмалій С.Л. Макромоделі пристроїв силової електроніки на основі В-елементів – модульованих опорів //Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки", частина 5. – 2002. – С. 39-42.

Здобувачем проведене моделювання імпульсного регулятора, інвертора, розробка методики створення макромоделей пристроїв.

6. Переверзев А.В., Василенко О.В., Шмалий С.Л. Макромоделирование узлов полупроводниковых преобразователей на базе В-элементов с многопараметрическими функциями //Технічна електродинаміка. – 2003. – №4. – С. 18-22.

Здобувачем проведена розробка макромоделі ШIМ і її дослідження.

7. Переверзев А.В. Шмалий С.Л. Макромоделирование силовых узлов тиристорных преобразователей //Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність", частина 2. – 2004. – С. 89-92.

Здобувачем створено й досліджено макромоделі вузла логіки тиристорного перетворювача.

8. Переверзев А.В., Шмалий С.Л. Макромоделирование силовых элементов преобразователей //Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки", частина 3. – 2004. – С. 87-90.

Здобувачем розроблено алгоритми, створені макромоделі силового модуля та проведені дослідження.

9. Переверзев А.В., Шмалий С.Л. Макромоделирование элементов систем управления полупроводниковых преобразователей //Електротехніка та електроенергетика. Запорізький національний технічний університет. – 2004. – №2. – С. 27-32.

Здобувачем розроблено модель блоку ШIМ і макромоделі мікропроцесора.

10. Переверзев А.В., Шмалий С.Л. Применение программы XSPISE для моделирования элементов устройств полупроводниковых преобразователей // IX науково-технічна конференція викладачів та студентів ЗДІА, частина 3. 19-23 квітня 2004р. Секція "Електроніка та електронні технології" Запоріжжя. – 2004. – С. 102.

Здобувачем розроблені макромоделі силових приладів з використанням технології на рівні кодів, які можна використовувати на різних рівнях проектування в єдиному програмному продукті АСхП.

11. Шмалий С.Л., Бочаров Д.С. Макромоделирование устройств полупроводниковых преобразователей с использованием технологии моделирования на уровне кодов //X науково-технічна конференція студентів, магістрантів і викладачів ЗДІА. Частина II. 19-22 квітня 2005р. Секція "Електроніка та електронні технології" та "Інформаційні технології". – Запоріжжя: Видавництво ЗДІА. – 2005. – С. 5.

Здобувачем розроблена методика макромоделювання на рівні кодів, та на ії основі створена макромодель стабілізатора потужності й проведено ії дослідження.

АНОТАЦІЇ

Шмалій С.Л. Макромоделювання пристроїв напівпровідникових перетворювачів електроенергії – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 – "Напівпровідникові перетворювачі електроенергії". – Національний технічний університет України "КПІ", Київ, 2006.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності автоматизованого проектування напівпровідникових перетворювачів електроенергії.

Запропоновано новий спосіб спадного/висхідного проектування, особливістю якого є можливість виконання структурного й функціонального проектування в розвиненому середовищі автоматизованого схемотехнічного проектування, розроблені й реалізовані методики такого проектування.

Розглянуто принципи побудови аналогових макромоделей силових елементів і пристроїв систем керування напівпровідникових перетворювачів, призначених для ієрархічного проектування з багаторівневим моделюванням єдиними програмними засобами.

Розроблені макромоделі й нові методики аналізу дозволяють знизити витрати часу при моделюванні. Гнучка процедура переходу від одного виду моделі до іншого дозволяє поєднувати глибину аналізу з його всебічністю, по черзі вибирати за необхідністю або точність, або швидкість моделювання.

Основні результати роботи знайшли застосування при проектуванні в НДІ силової електроніки "Перетворювач", заводі "Перетворювач" і впроваджені в навчальний процес на кафедрі електронних систем ЗДІА (м. Запоріжжя), на