电力电子开关电路的仿真软件汇总大全
开关电源仿真与实用设计 2022-09-20


概览


网上介绍电力电子仿真软件的文章错误和过时信息较多,本文针对非电网/电力系统互联类的独立电力电子开关变换系统(简称为电源)的仿真,尝试性地归纳介绍。为了能给刚入门的读者一个基础概念,特此指出,如下用词均描述同一被仿真客体,该客体利用电力电子技术进行如下四种功率(电压/电流)变换:

  • 电力电子变换器 power electronics converter

  • 功率变换器 power converter

  • 开关变换器 switching converter

  • 开关调节器/稳压器 switching regulator

  • 开关电源 switching mode power supply(SMPS)


针对电源应用,本文介绍的常见、主流仿真软件如下:

名称
公司
官网
Saber

美国

Synopsys

https://saber-solutions.com/saber-rd/


https://www.synopsys.com/verification/virtual-prototyping/saber.html

PSIM

美国

POWERSIM

https://powersimtech.com/products/psim/capabilities-applications/
PLECS

瑞士

Plexim GmbH

https://www.plexim.com/products/plecs

SIMULINK

美国

Mathworks

https://www.mathworks.com/products/simulink.html

SIMetrix

/SIMPLIS

英国

SIMetrix

美国

SIMPLIS

https://www.simetrix.co.uk/


https://www.simplistechnologies.com/

PsPice

美国

Cadence

https://www.pspice.com/
LTspice

美国

ADI

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

归纳特点如下:


特点
Saber
  • 支持导入SPICE模型,和强大复杂的器件实际建模能力

  • 复杂分析的运行速度慢

  • 面向实际工程的复杂分析功能十分全面

PSIM
  • 支持开关器件高阶非线性行为模型,和开关器件SPICE模型(内嵌LTspice)

  • 理想模型下,仿真速度较快

  • Simcoder实现和TI C2000联动,数字控制验证方便

PLECS
  • 纯理想元器件,但支持基于开关时刻电压电流的损耗查表功能,以及基于磁路的磁元件模型,和热等效电路的热分析

  • 仿真速度极快,非常适合原理验证,方案快速分析和数字控制的C代码实现

  • 支持联动TI C2000,也可配合RTBOX实现硬件在环(HIL)半实物仿真

SIMULINK
  • 前期以纯理想器件为主,近期版本支持器件的高阶非线性行为模型

  • 近期版本优化了仿真算法,仿真速度比以前大大加快

  • 适合复杂数字控制,复杂逻辑功能,和高端算法的实现

  • 方便配合MATLAB的其他工具进行复杂的建模和数理分析

  • 建立更复杂的电气电网系统进行模型验证

  • 和外部真实系统的数据交互,联合仿真

SIMetrix

/SIMPLIS

  • 支持简单和高阶的非线性行为模型,也支持导入SPICE模型

  • 仿真速度较快

  • 内置大量封装好的,电源IC中常见的底层数模逻辑控制模块,适合IC行为级建模

  • 附带众多专门针对电源应用的器件建模和分析模组

PsPice
  • 支持导入SPICE模型

  • 仿真速度偏慢

  • 适合观察SPICE模型下的真实行为,寄生效应等波形细节

  • 容易和IC供应商提供的SPICE模型形成生态

  • 专门针对电源的分析工具不足

LTspice
  • 支持导入SPICE模型

  • 针对开关变换做了优化,仿真速度较快

  • 适合观察SPICE模型下的真实行为,寄生效应等波形细节

  • 内置LT(ADI)公司大量器件模型

  • 专门针对电源的分析工具不足

限于篇幅,本文只讲每款软件的关键特色。更详细的信息,请参考官网相关资料。


SABER


SABER本身十分高大上,电源的仿真是Saber一个分支的应用领域。

Saber可支持仿真结果,和预先设置的design specifations(输入输出的电压/电流/纹波/效率等)设计目标进行对比。

不同于大家可能过去见得多的老版本,现版的SABER包含两个模块:SaberEXP和SaberRD。

SaberEXP专门针对开关变换器的仿真速度进行优化,在损失最少近似度的情况下做了线性处理(有的也称PWL模型),鲁棒性强,便于收敛,仿真速度快。

SaberRD的功能更加强大且专业,可以在多个域进行设计(包含热 磁 机械 物理等)。对每个器件进一步自定义的特征化,包括导入SPICE模型。更高级的,它支持参数扫描,最恶劣工况分析,可靠性分析(应力和功能安全),并支持并行仿真提高运行速度。如下是上述buck电路输出电压worst-case分析的例子。

利用供应商datasheet提供的数据,我们可以在Saber中完成对每一个组件的详细建模(查表,曲线,公式)和参数自定义。Saber支持对供应商datasheet曲线的自动测绘。

利用SaberEXP和SbaerRD可以完成从理想模型的搭建,到实际工程样机的验证,形成由简入繁的设计闭环。


PSIM


PSIM是专门针对电力电子与电机驱动应用开发的。

在早期,PSIM是以理想元器件,超快的仿真速度和很强的收敛性著称。

但从PSIM 11开始,在快速仿真的基础上,为了提高仿真的真实度并兼容SPICE仿真体系,每一个器件PSIM都同时支持定义为PSIM模型(ideal或带各种参数的level 2非线性模型)或SPICE模型(称为PSIM-SPICE pro)。

并且,PSIM开始支持直接在内部嵌入LTspice进行仿真。

PSIM对于多种代码模块的支持,能用于验证各类数字控制程序。

除此之外,最特色的尚属PSIM的SimCoder模块,拥有实时数字控制的巨大仿真优势。

其内置如TI C2000 MCU的众多子模块,可以直接引入C2000的ePWM/CAN/SPI/SCI/ADC等模块,配合代码,连入电路中进行仿真(Processor in loop)。

同时,PSIM支持利用模块,直接配置C2000控制代码的导出。利用Code Generation模块,我们可以通过配置PSIM C2000模块中的参数,链接CCS软件,生成实际的C2000代码来实现实际的控制。


PLECS


PLECS最早是内嵌在MATLAB-SIMULINK里面的一个组件,为了弥补Simulink对电力电子系统元器件支持的不足,以及对开关变换器仿真算法的不适配导致的低仿真速度而存在的。后来因为其采用全理想元器件模型,简洁高效,速度极快,非常适合验证系统的拓扑原理和控制算法,便独立出来有了standalone的版本。

值得一提的是PLECS虽然是纯理想元器件的仿真工具,但它同样支持损耗和热的仿真。不同于PSIM引入SPICE和开关高阶模型,PLECS为了极致的运行速度,它通过已知(或已被厂家建模)的Eon/Eoff和热参数数据,以look up table的方式建立模型。虽然其效果取决于参数来源的精确度,但不失为一种快速评估系统性能的仿真方式。

另外,类似PSIM,PLECS也有支持TI C2000 MCU的模块(TI C2000 Code Genration),此处不再赘述。

PLECS可以和自家的RT  BOX轻易配合,实现硬件在环的电力电子半实物仿真,非常有利于项目的快速验证。


SIMULINK


内嵌在MATLAB中,因此对数模混合电路的复杂模型,复杂处理逻辑,和高级控制算法的建模/验证能力得益于MATLAB。MATLAB针对控制系统,也拥有众多支持自动化分析,自动化优化校正的工具包。

但SIMULINK曾经对Power元器件库的支持是孱弱的,仅限于纯理想器件,由于仿真算法没有对开关电路进行特殊的优化,总体的仿真速度较慢。

近几年来,SIMULINK对电力电子变换电路的支持进行了诸多优化。针对开关元器件,支持自定义其特性曲线从而逼近真实的非线性行为模型,从而可以获得损耗/效率/热学仿真等仿真能力。从这点上说,相当于吸收了PSIM和PLECS的部分优势。

值得一提的是,新版SIMULINK还支持基于SPICE的网表转换功能,在某种程度上支持基于SPICE模型的仿真。

另外,鉴于MATLAB的强大,适合复杂数字控制,复杂逻辑功能,和高端算法的实现,SIMULINK可以配合MATLAB的其他工具进行复杂的建模和数理分析,甚至搭建更复杂的电气、电网系统进行模型验证。

同样地,其对众多真实微处理器的联动(包括TI C2000),和外界真实系统/其他软件的数据交互接口,硬件在环,代码生成/验证/基于模型的设计等,自然是不在话下。此处不进行过多展开。


SIMPLIS


SIMPLIS可以说是专门针对电源仿真的,包括板级和IC行为级电路仿真。

它的出现,弥补了传统SPICE类仿真在面对开关变换器时,出现的种种不足:如仿真速度太慢,收敛性很差,频域环路分析支持性弱(没有专门工具,需要额外脚本和自行搭建模型)。

SIMPLIS采用多段线性化的PWL模型仿真方式,可实现基本类似SPICE类仿真的效果,但是它的速度相比SPICE类仿真快得多。下面给出一个对比:

SIMPLIS非常适合在不失精度的情况下,采用较简单的level 0-level 2非线性模型,实现非常快速的验证。其内置的海量非线性元器件,足够实现非理想系统的细节波形验证,以及损耗/效率分析。同时,如果需要更精准的结果,它同样支持导入SPICE模型进行仿真和分析(可切换到SIMETRIX仿真器)。


SIMPLIS内置大量封装好的,电源IC中常见的底层数模逻辑控制模块,且附带很多专门针对电源应用的建模与分析模组,对环路分析,参数扫描等常用功能做了优化。

另外,如MDM磁性元器件模组,可将最接近真实的磁件模型导入仿真(8.4版本以后),并显示设计结果的波形与损耗等。

对于数字控制,SIMPLIS有大量数字电路的元器件库,也支持配合verilog-A/HDL等代码输入(8.4以后支持C),但未直接支持市面上各种微控制器形成联动,算是数字控制方面的不足。


PsPice


大名鼎鼎的SPICE类仿真软件,绝大多数人接触它应该始于大一的电路理论实验课。但要注意,它并不是专门针对开关变换器开发的,能实现的电路分析功能非常复杂,可以与其他外部组件一起完成系统级仿真。

我们可以通过PsPice很方便地导入SPICE模型,保证仿真结果足够的精准度,但代价也是显著的---慢。

另外,可以看到,由于PsPice并没有开发专门针对电源仿真需求的工具包,因此如环路分析等需要搭建特殊的模块,再借助额外的SPICE指令实现。

对于电源仿真来说,Pspice的最大优势在于,各家IC和半导体供应商大多会直接提供PsPice或者是SPICE模型,可以很方便地直接导入PsPice软件中进行使用和仿真,验证最接近真实系统的细节波形和功能。

这个优势并不局限于电源IC,基于SPICE模型的信号链类的精确仿真,Pspice也巨有无可比拟的优势。


LTspice


起源于LinearTech(后被ADI收购)的SPICE类仿真软件,相比PsPice进行了大量功能简化。由于LT是以电源IC而出名,LTSpice确实也针对开关稳压器的仿真速度进行了改进,较之标准的SPICE仿真器有了大幅度的提高。

因此,LTSpice适合于以仿真开关变换器为主,需要很快的仿真速度,且有导入SPICE模型需求的用户。

另外一个重要价值在于,LTSpice是完全免费的,且内置了LT(ADI)的大量元器件模型。


其他


  • 其他常见电子电气类仿真软件,如Intusoft公司的ISspiceNI公司的Multisim,TI公司的TINA,及Hspice,PSCAD,Proteus等,并非针对电源应用开发,或在电源仿真应用中失去主流/没有优势,本文不予介绍。

  • 各半导体IC公司推出的如PsPice for TI, ADIsimPE等,脱胎于上述软件,不再单列。

  • 各半导体IC公司推出的辅助CAD电源设计工具,如TI的Webench,ADI的LTpowerCAD,英飞凌的PowerEsim,ONsemi的WebDesigner+,MPS的MPSmart,瑞萨的iSim,美信的EE-Sim等,严格意义上并不算专业的仿真软件,本文不予介绍。

参考资料:

https://www.synopsys.com/verification/virtual-prototyping/saber/saber-exp.html

https://www.youtube.com/results?search_query=saberrd+power

https://www.youtube.com/user/PowersimInc

https://www.youtube.com/channel/UC3HRA805Um2eWRUmbEwbpQQ

https://ww2.mathworks.cn/en/videos/series/developing-dc-dc-converter-control-with-simulink.html

https://ww2.mathworks.cn/content/dam/mathworks/tag-team/Objects/m/motor-power-control-whitepaper.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=fsTHCRtUNCA&t=18s

https://www.youtube.com/user/simplistech

https://www.youtube.com/watch?v=Ki6VU0GJr3I

https://www.youtube.com/c/CircuitAnalysis/videos

https://www.ti.com/lit/an/sluaa51/

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