電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾仿真

1、電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾仿真2用仿真手段分析系統(tǒng)性能用真實系統(tǒng) 實驗用真實系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型實驗Simulation分析/預(yù)估性能提升性能降低風(fēng)險系統(tǒng)用真實系統(tǒng)的物理樣機實驗解析法仿真3盡早解決問題十分必要110102103104階段成本措施解決設(shè)計問題措施、成本與產(chǎn)品的開發(fā)過程的關(guān)系概念設(shè)計產(chǎn)品市場解決設(shè)計問題的成本隨著開發(fā)過程的呈指數(shù)級增長越早發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，解決方法就越多若后期才發(fā)現(xiàn)問題，解決的措施就大大減少，難度也會大很多基于虛擬原型的仿真，是在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題、研究解決措施的最佳手段參考文獻：朱立文，電磁兼容設(shè)計與整改對策及案例分析，北京：電子工業(yè)出版社，2012為什么要采用CAE波音777汽車工

2、業(yè)推動創(chuàng)新提升性能節(jié)省成本降低風(fēng)險NASA火星探測器4目錄51電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析面臨的問題2ANSYS電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析流程3ANSYS電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析案例4交流與討論EMC分析流程復(fù)雜0.003.501.081.101.121.141.161.18Time us0.000.501.502.002.50Y1 VAnsoft LLCNexxim1Rcvr PatternCurve Inf o V(Rcvr)Transient時域波形1.00頻域波形場圖67電磁干擾三要素干擾源耦合路徑被干擾體干擾源定位/處理方法繁雜參考文獻：“EMC ANALYSIS METHODS AND COMPUT

3、ATIONAL MODELS” Frederick M. Tesche, Michel V. 1997 p34-36EMI干擾源抗干擾能力傳導(dǎo)噪聲傳導(dǎo)路徑空間路徑高頻低頻沒有輻射三維空間電感噪聲電容噪聲輻射噪聲分析軟件眾多/難以取舍電磁分析軟件電路仿真適用于功率電子、電路、控制系統(tǒng)仿真分析電磁場仿真適用于二維/三維實體模型電磁特性分析ANSYS8標(biāo)桿部件建模工具：具有業(yè)界標(biāo)桿電磁場分析工具，多種算法可保證不同仿真對象的仿真精度；層次建模能力：具有系統(tǒng)級、電路級與物理原型級模型建模與集成仿真分析能力；協(xié)同仿真能力：電路與電磁場仿真工具可實現(xiàn)協(xié)同仿真分析，實現(xiàn)最高級別的仿真分析；完備的設(shè)計流程：依

4、據(jù)不同的分析對象和具體問題，可實現(xiàn)多層次分析，具有完備的設(shè)計流程。優(yōu)勢：速度快、適合電路/系統(tǒng)級仿真分析 劣勢：缺少物理原型系統(tǒng)仿真與集成能力優(yōu)勢：精度高、適合精確計算對象特定電磁特性 劣勢：缺少與電路/系統(tǒng)集成仿真分析能力目錄91電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析面臨的問題2ANSYS電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析流程3ANSYS電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析案例4交流與討論黑盒子數(shù)據(jù)全面性：不具備系統(tǒng)內(nèi)的主要設(shè) 備和部件數(shù)據(jù)；仿真目的：快速驗證結(jié)論研究設(shè)計規(guī)則灰盒子數(shù)據(jù)全面性：具備系統(tǒng)內(nèi)的部分數(shù)據(jù)，如關(guān)鍵線纜布局、設(shè) 備機箱結(jié)構(gòu)；仿真目的：關(guān)鍵部件的電磁兼容性 分析；系統(tǒng)具體電磁兼容性問 題的分析與定位；研究設(shè)計規(guī)則白盒子

5、數(shù)據(jù)全面性：具備系統(tǒng)內(nèi)的所有影響 電性能的設(shè)備、部件和 互連結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；仿真目的：全面分析和預(yù)測系統(tǒng)電 磁兼容性；搭建系統(tǒng)電磁兼容性設(shè) 計流程；研究設(shè)計規(guī)則10針對不同的問題與不同的研究對象需要采用不同的仿真方法。EMC仿真層次定位示例：器件型號多15家公司、54種有源/無源器件！11示例：器件精度差異影響仿真結(jié)果Spice12VHDL示例：不同精度器件適合仿真領(lǐng)域不同ADC coreBEnergy calculationThermal networkFADC coreCThermal networkCapacities C(V), C(I) parasitics L, R, C contro

6、lled sourcesEFFull parameter excess最快的仿真速度精確的靜態(tài)特性精確的靜態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型電壓與電流的瞬態(tài)特性不考慮適合系統(tǒng)級的仿真分析靜態(tài)特性模型動態(tài)特性模型13最高的仿真精度:最高精度級別的器件級模型精確的靜態(tài)、動態(tài)與熱特性精確的電壓與電流瞬態(tài)特性波形適合驅(qū)動系統(tǒng)桉樹分析，EMI/EMC分析-231.0n618.0n0200.0n400.0n.0.00.7.3.0-172.0n750.0n0200.0n400.0n600.0n000730開通關(guān)斷高級動態(tài)模型基本動態(tài)模型示例：不同精度模型仿真結(jié)果差異14示例結(jié)論：器件精度影響EMC仿真高級動態(tài)模型+封裝寄生參數(shù)提

7、?。洪_通/關(guān)斷特性15做減法16驅(qū)動單元（驅(qū)動信號功率放大，傳感器信號采 集及隔離輸出，故障信號隔離輸出）控制單元單元（控制邏輯和算法）精簡后的電氣結(jié)構(gòu)框圖17關(guān)鍵器件IGBT采用物理原型模型；添加Lisn網(wǎng)絡(luò)（CISPR 25標(biāo)準）；添加Prius IPM有限元模型；提取電源母線與電機線纜寄生參數(shù)；提取IGBT母排寄生參數(shù)；二極管/三極管/運放等采用基本模型；控制算法和邏輯通過狀態(tài)機搭建；驅(qū)動信號由三角波與正弦波比較得到；目的：精度與速度得到平衡！精度簡化機箱仿真分析模型。速度從部件設(shè)計開始抑制干擾18Infineon : FZ600R12KE3專業(yè)IGBT開關(guān)器件物理原型建模工具，可生成物

8、理原型級IGBT模型參數(shù)提取工具0.001.005.00 0.00600.00400.00200.00800.001000.001200.00Ic.I Ax02_OutputOutput Char. Tj=125cCurve Info Ic.I TR2.00 Vce.V V 3.004.00輸出特性曲線Vce-Ic數(shù)據(jù)手冊19開關(guān)器件物理原型建模電場強度在100MHzSpectrum (MHz)Power(W)E field at 1m(V/m)115.70247932308.35953610.35553171即使器件工作在100Mhz，電場也主 要分布在器件周圍。器件功率較高，由此造成了距離

9、器 件很遠的地方電場強度依然很高。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和分析，當(dāng)前模型在110MHz工況下，工作情況良好。PowerE field at 1m Spectrum (MHz)(W)(V/m)115.70247932308.35953610.35553171示例：開關(guān)器件開關(guān)過程電磁輻射20線纜寄生參數(shù)提取線纜電流密度等由于“集膚效應(yīng)”與“鄰近效應(yīng)”的影響分布明顯不均勻；通過Q3D可提取模型在不同頻率下的RL/CG矩陣，替換掉理想線纜模型。21母排寄生參數(shù)提取母排表面電流由于“集膚效應(yīng)”與“鄰近效應(yīng)”的影響，明顯分布不均勻；通過Q3D可提取模型在不同頻率下的RL/CG矩陣，替換掉理想模型的走線。22執(zhí)行機

10、構(gòu)物理原型建模有限元仿真分析模型理想電路模型磁路法模型ECE模型精度提升23傳導(dǎo)仿真分析流程Simplorer功率電子與電路系統(tǒng) 與傳導(dǎo)干擾分析Q3D互連通道寄生參數(shù) 線纜/PCB場路協(xié)同PExprt電感、變壓器快速設(shè)計 和方案優(yōu)選場路協(xié)同Maxwell電感、變壓器精確電磁性能分析、 參數(shù)計算和降價模型提取0.150.311030-20020406080100120Simulated Total EMI SpectrumNoise (dBV)3Frequency (MHz)Simulated EMI CISPRA CISPRB24模型動態(tài)鏈接在設(shè)計流程早期引入傳導(dǎo)干擾分析25目錄261電源設(shè)備

11、傳導(dǎo)干擾分析面臨的問題2ANSYS電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析流程3ANSYS電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾分析案例4交流與討論導(dǎo)航；汽車“電子化” ：42V高電壓技術(shù)：降電磁干擾問題日益撞/接近傳感器、定速巡航、衛(wèi)星提效“5V42V”轉(zhuǎn)換；重！反激式開關(guān)電源TFR1P2W1D1C1R1E1IGBT1PWM1PWM電池碰損嚴開關(guān)電源用電設(shè)備27反激式開關(guān)電源拓撲current(A)500.00m650.00m550.00m600.00m14.00m15.00m14.50mtime(s)2DGraphSel128AM1.I.濾波電感未作優(yōu)化，輸入電流不穩(wěn)定！濾波電感未作優(yōu)化：輸入電流不穩(wěn)定29current(A)50

12、0.00m650.00m550.00m600.00m14.00m15.00m14.50mtime(s)2DGraphSel1增大共模濾波電感值后，輸入電流穩(wěn)定。濾波電感優(yōu)化后：輸入電流穩(wěn)定AM1結(jié).I.論：優(yōu)化濾波電感可極大降低傳導(dǎo)干擾風(fēng)險！30濾波電感/變壓器專家建模功能PExprt可對上述濾波電感進行“專家設(shè)計”任意鐵芯材料可自定義便捷的用戶自定義材料庫功能：如H12531豐富的建模選項設(shè)置功能:頻率特性；熱特性；非線性鐵心；寄生/耦合電容等。32豐富的建模選項33場量仿真結(jié)果：磁力線；磁密幅值和矢量；考慮集膚效應(yīng)和鄰近 效應(yīng)的電密分布等。濾波電感精確設(shè)計和性能分析0.000.250.50

13、0.751.001.251.501.752.000.001.252.503.755.006.257.50Ansoft LLCmodify_4Probe3Curve Info avg N0035.VTR5.6179輸出電壓穩(wěn)定在5.5V；電路工作正常，可進行 精確CE分析。集成PExprt模型的電路傳導(dǎo)干擾分析34優(yōu)化濾波電感后仿真分析結(jié)果優(yōu)化濾波電感，對穩(wěn)定后的輸入電流波形FFT分析：主開關(guān)頻率250KHz的各次諧波含量較大；符合理論分析值。后期個通過進一步優(yōu)化設(shè)計濾波電感抑制傳導(dǎo)干擾。35總結(jié)36關(guān)鍵部件工程化分析能力：ANSYS具有電源設(shè)備傳導(dǎo)干擾仿真分析需要用到的關(guān)鍵 部件工程化分析能力，如IGBT、電感、變壓器、線纜、母排等。部件與系統(tǒng)層次化集成能力：針對不同層次的電磁干擾分析問題，以部件工程化分 析為基礎(chǔ)，ANSYS可提供層次化的部件與