Diseño de circuitos convertidores de potencia con MATLAB y Simscape Electrical

Introducción: La importancia de la simulación en las primeras etapas de diseño

Las decisiones tomadas en las primeras etapas del diseño de convertidores de potencia y accionamientos de motores desempeñan un papel fundamental en el tiempo y el coste necesarios para cumplir con los criterios de diseño. Las decisiones tomadas sobre topologías de circuitos, selección de componentes, estrategia de control y comportamiento ante fallos antes de construir el hardware determinan los costes, el rendimiento y el riesgo de rediseño de todo el proyecto.

La simulación digital proporciona a los ingenieros una manera de tomar esas decisiones, al mismo tiempo que sienta las bases para un diseño efectivo de convertidores de potencia y accionamientos de motores desde las etapas iniciales.

Este artículo técnico comparte perspectivas sobre cómo MATLAB^®, Simulink^® y Simscape Electrical™ proporcionan el entorno necesario para la toma de decisiones en etapas tempranas. Cada sección aborda un desafío específico de diseño de hardware en etapas iniciales y explica cómo el análisis basado en simulación reduce el riesgo antes de construir el primer prototipo.

Reducción del riesgo en etapas tempranas del diseño de convertidores de potencia y accionamientos de motores

Durante las etapas iniciales del diseño de circuitos para dispositivos de electrónica de potencia, como convertidores de potencia y accionamientos de motores, los equipos de ingeniería necesitan utilizar software que proporcione múltiples funcionalidades para explorar el espacio de diseño. Es importante realizar cambios sencillos para iterar conceptos iniciales, detectar errores antes de las pruebas de hardware, evaluar tradeoffs de coste y rendimiento, y explorar el circuito como parte de un sistema realista. El diseño en etapa temprana utilizando software con estas funcionalidades garantiza que hayan menos iteraciones de diseño y retrasos costosos durante la fase de implementación en hardware.

El diseño de simulación multidominio basado en modelos permite a los ingenieros tomar decisiones óptimas y fundamentadas desde las primeras etapas del proceso de diseño de convertidores de potencia y accionamientos de motores. Combinar simulación, análisis y diseño en un único entorno, permite a ingenieros navegar sistemáticamente por todo el espacio de diseño. También pueden realizar estudios comparativos que abordan múltiples requisitos, a menudo contrapuestos, como diseño del lazo de control, respuesta dinámica, efectos térmicos, calidad de la energía, selección de componentes y análisis de fallos, todo en una sola plataforma.

Con soporte para múltiples niveles de fidelidad de modelo y capacidades de cosimulación, Simscape Electrical se integra en los flujos de trabajo existentes y ofrece un enfoque más completo que las herramientas EDA tradicionales o los simuladores de circuitos por sí solos. Simscape Electrical permite a grupos de ingeniería explorar distintas topologías y arquitecturas, dimensionar componentes y realizar estudios comparativos específicos para fundamentar decisiones críticas desde las primeras etapas del diseño. Las librerías definidas por proveedores, las herramientas de importación y numerosas librerías de elementos de circuito, cargas, convertidores prediseñados y plantillas de control permiten explorar rápidamente distintas alternativas de diseño. La integración directa con MATLAB facilita la exploración rápida del espacio de diseño y su reducción progresiva, teniendo en cuenta una amplia variedad de variables y restricciones.

Los factores clave de rendimiento, como calidad de la energía, disipación térmica, eficiencia del sistema, rendimiento mecánico y dinámica del motor, pueden analizarse en un entorno unificado, con funcionalidades de seguimiento de requisitos e inyección de fallos. Este enfoque integrado proporciona un elevado nivel de confianza antes de pasar al diseño detallado.

Cómo Simscape Electrical optimiza el proceso de diseño

Simscape Electrical aborda una variedad de desafíos propios de las primeras etapas de diseño mediante un conjunto unificado de funcionalidades:

• Estudios comparativos, análisis preliminares y optimización
• Múltiples niveles de fidelidad
• Análisis térmico y mecánico
• Inyección de fallos
• Análisis basado en frecuencia
• Librerías de componentes de proveedores
• Diseño de lazos de control
• Trazabilidad de requisitos
• Cosimulación y exportación de modelos

Estudios comparativos, análisis preliminares y optimización

Simscape Electrical ofrece dos ventajas clave para el diseño sistemático de convertidores de potencia y estudios comparativos en etapas tempranas. En primer lugar, su integración directa con MATLAB proporciona acceso a herramientas de scripting, diseño y optimización para la exploración automatizada del espacio de diseño. En segundo lugar, los ingenieros tienen control sobre el nivel de detalle de la simulación, desde el uso de transistores dependientes de la temperatura hasta la abstracción de convertidores con modelos de comportamiento de alto nivel. En conjunto, estas funcionalidades crean un entorno unificado donde el nivel de automatización y fidelidad del modelo pueden adaptarse a los requisitos específicos de cada proyecto. 

La optimización impulsada por MATLAB y los estudios comparativos emplean modelos de Simscape Electrical para abordar múltiples objetivos y requisitos simultáneamente. Es posible priorizar y ponderar objetivos de coste, calidad de potencia y ancho de banda, mientras que las restricciones estrictas, como la eficiencia mínima o el margen de ganancia/fase requerido, se aplican automáticamente. Estas restricciones son personalizables y pueden explorarse de manera individual o colectiva para comprender su impacto en el diseño del convertidor.

Una ventaja técnica clave de este tipo de análisis es el soporte para optimización basada en valores discretos y enteros, y técnicas de Machine Learning. Esto permite seleccionar componentes reales y disponibles en el mercado, por ejemplo, una resistencia estándar de 1000 ohmios en lugar de una de 1004,2 ohmios, asegurando que el diseño final sea óptimo y fabricable. Las restricciones y los objetivos de optimización, ya sean continuos o discretos, pueden utilizarse para automatizar la exploración de arquitecturas, valores de componentes, esquemas de control y mucho más. MATLAB admite optimización local, global y basada en IA. Proporciona herramientas para generar diseños de experimentos que cubren sistemáticamente el espacio de diseño.

Los numerosos modelos de comportamiento, proyectos de ejemplo y plantillas de control aceleran la creación de modelos exploratorios, abstraen detalles innecesarios, y facilitan análisis y comparaciones significativas en las primeras etapas del diseño. Este enfoque permite tomar decisiones de alta calidad que consideran el conjunto completo de requisitos del sistema, lo que aumenta la probabilidad de éxito del diseño. Es importante destacar que estos mismos métodos pueden aplicarse a diseños más avanzados para el ajuste fino y una mayor optimización.

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Múltiples niveles de fidelidad: simplificación de la creación y mantenimiento de modelos

Las flexibles funcionalidades de modelado de Simscape Electrical permiten abordar criterios de diseño específicos mientras abstraen detalles innecesarios. Esta flexibilidad, configurable por usuarios, permite tomar decisiones de diseño detalladas y en nivel de sistema dentro del mismo flujo de trabajo. Por ejemplo, puede analizar un sistema de distribución de energía considerando coste y eficiencia sin modelar los lazos de control de bajo nivel, o evaluar la resistencia de compuerta para analizar el tradeoff entre eficiencia y EMI. Las librerías de Simscape Electrical incluyen modelos prediseñados con varios niveles de fidelidad, junto con numerosos ejemplos y plantillas para crear rápidamente simulaciones adaptadas a cada tarea.

En esencia, Simscape Electrical abarca desde modelos detallados de transistores con parámetros dependientes de la temperatura y no linealidades complejas hasta modelos de comportamiento de alto nivel que pueden abstraer incluso el lazo de control de un convertidor. Entre los niveles de fidelidad más comunes se encuentran:

• Interruptores no lineales detallados, como modelos similares a SPICE
• Dispositivos lineales con conmutación, que preservan los efectos y las pérdidas de conmutación, pero ignoran la dinámica de encendido
• Modelos promediados centrados en la dinámica de orden superior del sistema y el modo de conducción discontinua

Este enfoque se aplica a transistores, baterías, motores, circuitos integrados y otros. Seleccionar el nivel de fidelidad adecuado es fundamental para desarrollar modelos útiles con los datos disponibles, respaldando el diseño iterativo incluso cuando algunos detalles son desconocidos. También acelera la creación, el mantenimiento y la simulación de modelos ya que abstrae la complejidad.

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Análisis térmico y mecánico: evaluación de pérdidas y estrategias de refrigeración

El encapsulado y el diseño físico son fundamentales en el diseño de convertidores. Simscape Electrical proporciona cálculos detallados de pérdidas en cada nivel de fidelidad. En modelos de transistores tradicionales, siempre se calculan las pérdidas por conmutación y las pérdidas por conducción. Cuando se utilizan modelos lineales por tramos para acelerar la simulación, las pérdidas pueden obtenerse a partir de tablas suministradas por proveedores o generadas automáticamente por Simscape a partir de modelos detallados de conmutadores y escenarios de conmutación suave. Los modelos promediados y los modelos de comportamiento incorporan mapas de eficiencia para garantizar un comportamiento térmico preciso y la eficiencia del circuito.

Aunque es esencial comprender las pérdidas térmicas y la eficiencia, se requiere una perspectiva de todo el sistema para garantizar una extracción de calor efectiva. Simscape Electrical admite modelado térmico tradicional mediante redes de Cauer y Foster, lo que permite simular la transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Los modelos pueden incluir detalles avanzados como refrigeración líquida y bifásica, así como intercambiadores térmicos, lo que permite a diseñadores de circuitos evaluar estrategias de extracción térmica teniendo en cuenta las demandas de energía de la refrigeración activa.

Los componentes mecánicos, como motores y solenoides, también pueden modelarse con múltiples niveles de fidelidad. Abarcan modelos simples de parámetros concentrados, modelos detallados y no lineales, importados de herramientas de FEA, capaces de capturar efectos armónicos espaciales y saturación. El comportamiento térmico puede incorporarse según sea necesario y permite realizar un análisis detallado de los aspectos eléctricos y mecánicos.

Inyección de fallos integrada y proactiva

Simscape Electrical cuenta con funcionalidades integradas para modelado, inyección y análisis de fallos. Los componentes individuales contienen fallos predefinidos, mientras que los bloques de fallo específicos permiten inyectar circuitos abiertos o cortocircuitos en cualquier punto del sistema. Los criterios de simulación, entradas de usuarios o instantes de simulación pueden generar fallos. Dado que el entorno de simulación reconoce estos comportamientos como fallos, todos los escenarios de fallos se gestionan a través de una ventana de fallos específica que permite una evaluación virtual sistemática y a fondo de los fallos. Esta capacidad es escalable para respaldar el análisis de modos y efectos de fallo (FMEA) virtual cuando sea necesario.

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Análisis en el dominio de la frecuencia para evaluar el rendimiento eléctrico y las características de control

Simscape Electrical admite análisis en el dominio de la frecuencia y simulación en el dominio del tiempo, esencial para estudiar la calidad de potencia, la impedancia de entrada, el rechazo de ruido y el diseño de lazos de control. Cuando se usan bloques de convertidor preconfigurados de la librería Simscape Electrical, las respuestas en frecuencia analíticas y las funciones de transferencia están disponibles de forma inmediata, ya que los modelos de valor promedio se derivan e integran internamente. Estas funcionalidades se extienden a todas las topologías modeladas por usuarios, independientemente del nivel de fidelidad, utilizando herramientas integradas de análisis de respuestas en frecuencia. Esto evita realizar análisis manual de señales pequeñas o derivar modelos promediados.

Los datos de respuesta en frecuencia se pueden integrar con algoritmos de control y optimización, o utilizarse con herramientas de identificación de sistemas para generar modelos de orden reducido en el dominio del tiempo, sin necesidad de realizar análisis matemáticos manuales.

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Componentes de proveedores: integración de modelos de Hitachi, Infineon, Wolfspeed y más

Simscape Electrical admite el modelado de componentes definidos por proveedores mediante varios métodos de integración:

• Modelado basado en fichas técnicas: Los parámetros de fichas técnicas de proveedores pueden estructurarse para configurar bloques de componentes predefinidos cuando no se dispone de modelos de simulación proporcionados por el proveedor y los valores de la ficha técnica son suficientes para el análisis en nivel de sistema.
• Extracción de parámetros mediante simulación: Los modelos SPICE de proveedores pueden simularse para extraer parámetros clave, como pérdidas por conmutación, perfiles de capacitancia y características térmicas, que se utilizan para rellenar tablas de búsqueda para modelos de comportamiento.
• Importación de listas de conexiones SPICE: Simscape Electrical puede importar modelos detallados de dispositivos de proveedores utilizando listas de conexiones SPICE que incluyan no linealidades y elementos parásitos.

Simscape Electrical ofrece datos de componentes de Hitachi, Infineon y Wolfspeed, así como herramientas para crear modelos representativos de cualquier dispositivo discreto con datos apropiados de proveedores. Esto garantiza un modelado coherente y verificado en los dominios eléctrico, térmico y de control.

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Diseño de lazos de control: optimización del ancho de banda de control desde el inicio

Simulink admite enfoques de control clásicos y avanzados, que abarcan control predictivo basado en modelos y Machine Learning. Permite el diseño y la optimización simultáneas del control, lo que ayuda a abordar criterios contrapuestos y lograr un rendimiento altamente optimizado.

Simulink también admite el diseño de lazos en los dominios S y Z, con diagramas de Bode, Nyquist y respuesta al escalón, así como herramientas para el análisis y la ubicación de polos y ceros. Los criterios de control tradicionales pueden combinarse con medidas cuantitativas de rendimiento adicionales, lo que permite ajustar un controlador para lograr estabilidad y ancho de banda a la vez que se limita el sobreimpulso de corriente durante el inicio.

Simulink también ofrece una variedad de estrategias de control, desde controladores robustos y de lógica difusa hasta técnicas avanzadas de accionamiento de motores, como lazos de captura de fase, transformadas de Clarke y Park, control de campo orientado, control directo de par motor y conmutación de BLDC. Para sistemas de red eléctrica y conectados a red, Simulink ofrece herramientas para seguimiento del punto de máxima potencia, gestión de recursos de inversores, estabilidad basada en admitancia, formación de red y mucho más.

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Trazabilidad de requisitos: conformidad con ISO 26262 e IEC 61508

La trazabilidad de requisitos es esencial para los flujos de trabajo estructurados de diseño de hardware, especialmente bajo las normas ISO 26262 e IEC 61508, que exigen seguimiento de requisitos hasta la implementación. Pasar por alto un requisito en las primeras etapas puede dar lugar a costosos retrabajos en etapas posteriores.

Simscape Electrical, integrado con la línea de productos Simulink, admite una gestión y verificación detallada de requisitos. Los ingenieros pueden vincular modelos de circuitos directamente con requisitos documentados y realizar pruebas formales basadas en requisitos, facilitando el cumplimiento y la validación conforme a las especificaciones definidas.

Este entorno unificado proporciona trazabilidad a lo largo del modelado, la simulación y las pruebas. Vincula requisitos con artefactos de diseño, resultados de simulación y cobertura de pruebas. Este enfoque facilita las revisiones de diseño, los procesos de certificación y el análisis del impacto de los cambios, garantizando un diseño robusto y conforme con las normas desde el concepto hasta la implementación.

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Cosimulación y exportación de modelos para pruebas de HIL

Simscape Electrical se integra en flujos de trabajo de diseño de hardware existentes, que a menudo incluyen herramientas EDA y de diseño para generar archivos finales de diseño. Para respaldar esta integración, MathWorks ofrece cosimulación y exportación de modelos, lo que permite la adopción de sus productos en numerosos entornos de diseño.

Simscape Electrical admite la cosimulación con las herramientas de simulación de circuitos PSpice^® y SIMetrix, lo que permite a los ingenieros aprovechar simultáneamente las ventajas de distintas plataformas. Esta funcionalidad se extiende a la integración con motores de simulación multifísica y herramientas EDA para modelado de mayor fidelidad, como el análisis FEA, cuando sea necesario.

En cuanto a exportación, los modelos de planta pueden exportarse a código C y HDL/Verilog para pruebas de hardware-in-the-loop (HIL) de sistemas de potencia y convertidores. Estos modelos de circuitos se pueden exportar como código C y HDL/Verilog para usar con herramientas EDA, integrándose con SystemVerilog y permitiendo que los modelos creados en Simscape Electrical se ejecuten dentro de entornos EDA.

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Resumen

Reducir el riesgo en el diseño de convertidores de potencia y accionamientos de motores en etapas tempranas depende de la visibilidad: anticipar las consecuencias de las decisiones de diseño antes de que se vuelvan costosas, irreversibles o inseguras. Los flujos de trabajo descritos en este artículo demuestran cómo un entorno de simulación multidominio basado en modelos ayuda a los ingenieros a explorar más ideas, validar supuestos de manera anticipada y crear diseños robustos con mayor confianza. Con MATLAB, Simulink y Simscape Electrical, los grupos de ingeniería pueden utilizar componentes de proveedores para realizar estudios comparativos de diseño, análisis térmico, de fallos y mecánico, evaluaciones en el dominio de la frecuencia y desarrollo de lazos de control.