半導体デバイスをモデル化するためのブロック選択
Simscape™ Electrical™ には、同じタイプの半導体デバイスをモデル化できるブロックが複数含まれています。たとえば、MOSFET (Ideal, Switching) ブロックと N-Channel MOSFET ブロックは、どちらも N チャネルの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) をモデル化します。回答が必要なエンジニアリング設計の質問に対して十分なモデル化の詳細を備えたブロックを選択する必要があります。モデルの忠実度が高いほどシミュレーションが遅くなり、パラメーター化がより複雑になるため、必要以上の詳細を使用しないことも重要です。したがって、使用する適切なブロックは、設計目標を満たすために必要な複雑度によって決まります。適正な複雑度のブロックを選択するには次のようにします。
必要な忠実度を決定する。
半導体デバイスをその忠実度でモデル化するための適切なブロックを選択する。
ブロックをパラメーター化する。
メモ
このガイドでは、個々の半導体デバイスをモデル化するブロックに焦点を当てています。パワー エレクトロニクス コンバーターのモデルを作成する場合は、モデルを基本的なコンポーネントから作成するよりも、事前に用意されているコンバーター ブロックを使用した方が通常は簡単で効率的です。詳細については、Choose Blocks to Model Power Electronic Convertersを参照してください。
忠実度の決定
同じタイプの半導体デバイスをモデル化できるブロックの中から、実装される数学モデルの複雑度が異なるいずれかのブロックを選択します。
"レベル 1" のモデル — 熱モデルがない理想的なスイッチング デバイス モデル
"レベル 2" のモデル — 表形式のスイッチング損失と熱モデルを使用した理想的なスイッチング デバイス モデル
"レベル 3" のモデル — 物理学に基づく電熱モデル
モデル化の複雑度が増すと、調査や最適化を実質的に行える設計空間が制限されます。適正な複雑度のモデルを開発するには、設計プロセスの段階に応じて異なる忠実度を使用する必要があります。次の表に、3 つの忠実度における一般的な設計目標と対応する典型的なモデル化の仮定を示します。この表を使用して、必要な忠実度を決定してください。
忠実度 | 目標 | モデル化の仮定 |
|---|---|---|
| レベル 1 |
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| レベル 2 |
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| レベル 3 |
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モデルに合ったブロックの選択
次の表に、各種の半導体デバイス タイプを表すために使用できるブロックを忠実度ごとに示します。この表を使用して、半導体デバイスをモデル化するための適切なブロックを選択してください。
デバイス タイプ | ブロック | ||
|---|---|---|---|
| レベル 1 | レベル 2 | レベル 3 | |
| ダイオード |
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| バイポーラ トランジスタ | サポートなし | サポートなし | |
| MOSFET |
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| IGBT |
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| サイリスタ |
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| GTO |
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| サポートなし |
| JFET | サポートなし | サポートなし | |
| 複合回路 | サポートなし | サポートなし | |
メモ
レベル 1 のパラメーター設定を Diode ブロックに使用した場合、ブロックは Simscape Foundation Library の Diode ブロックと等価になります。
Gate Driver ブロックまたは Half-Bridge Driver ブロックを使用すると、半導体ブロックを任意の忠実度で駆動できます。MOSFET (Ideal, Switching) ブロックなど、レベル 1 とレベル 2 のモデルを使用する一部のブロックでは、ゲート端子に物理量信号端子を使用できます。この場合、ゲート ドライバーの電気モデルは不要になります。半導体デバイスをモデル化するブロックを変更することで、ゲート ドライバーを変更することなく簡単に忠実度を変更するには、ゲート端子に電気端子を使用します。
Semiconductor Switch Selector ブロックは、MOSFET、IGBT、サイリスタ、GTO をモデル化する各種のライブラリ ブロックを組み合わせて最上位の単一のブロック マスクの下に配置したものです。このブロックを使用すると、設計のさまざまな段階において、ブロックを置き換えたり既に指定したパラメーター値を再入力したりせずに忠実度を変更できます。
ブロックのパラメーター化
適切なブロックを選択したら、そのブロックをパラメーター化する必要があります。半導体デバイスのパラメーター化は、製造元が提供している情報によっては難しいことがあります。データシートはレベル 1 とレベル 2 のモデルに対しては有益な情報源になりますが、レベル 3 のモデルに必要な完全な電荷情報は提供されません。たとえば、MOSFET の場合、ゲート-ソース電圧とドレイン-ソース電圧によるゲート-ソース電荷の表を作成する必要がありますが、データシートにはゲート-ソース電圧によるゲート-ソース電荷しか記載されていないことがよくあります。
レベル 1 またはレベル 2 のモデルでは、ブロック パラメーター化マネージャーを使用して一部のブロックを事前にパラメーター化できます。これらのパラメーターの値は、特定のサプライヤーのコンポーネントを表し、製造元のデータシートに一致しています。事前にパラメーター化されたパーツ、このオプションをサポートするブロック、モデル化できる製造コンポーネント、その他のパラメーター化オプションの使用の詳細については、事前にパラメーター化されたコンポーネントのリストを参照してください。
レベル 2 のモデルのパラメーター化に使用できるデータが格納された XML ファイルを提供している製造元もあります。これらのファイルは、ee_importDeviceParameters 関数を使用して Simscape にインポートできます。また、レベル 3 のモデルは、generateSemiconductorSwitchROM 関数を使用して等価なレベル 2 のモデルに変換できます。これにより、解釈が容易になり、実行も高速になります。
SPICE サブサーキットで提供されるのは、通常はレベル 3 のモデルになります。SPICE サブサーキットは、generateSemiconductorSubcircuitROM 関数を使用して等価なレベル 2 のモデルに変換できます。これにより、解釈が容易になり、実行も高速になります。
SPICE サブサーキットをレベル 3 のモデルのまま Simscape Electrical でシミュレーションする場合は、次のオプションのいずれかを選択します。
ee.spice.semiconductorSubcircuit2lookup関数を使用してサブサーキットを表に基づく I-V と電荷のパラメーター化にマッピングします。数値的な信頼性が他の方法よりも高く、通常はこの方法が適しています。subcircuit2ssc関数を使用してサブサーキットを等価な Simscape コンポーネントに変換するか、SPICE-Imported MOSFET ブロックを使用してブロックでサポートされるデバイスをモデル化します。元のネットリストは通常は特定の SPICE シミュレーション エンジン向けに最適化されているため、この方法では数値シミュレーションの問題が生じることがあります。
レベル 3 の半導体をモデル化するもう 1 つのオプションは、SIMetrix Cosimulation Interface ブロックを使用して SIMetrix と Simscape でコシミュレーションを実行する方法です。SIMetrix で高忠実度の半導体をモデル化できるため、Simscape で半導体をパラメーター化する必要はありません。このオプションは、SPICE ネットリストに R、L、C、およびトランジスタ デバイスが複数ある場合に便利です。Simulink と Simscape を使用して、理想的なスイッチングを備えた半導体デバイスをモデル化するシステムレベルのモデルを作成できます。その後、モデルを検証するために、SIMetrix で開発したエレクトロニクスの詳細な設計を使用してコシミュレーションを実行できます。コシミュレーションを使用して、SIMetrix で開発した回路を Simscape Electrical のモーターなどの現実的な荷重でテストすることもできます。
参考
generateSemiconductorSwitchROM | ee_importDeviceParameters | generateSemiconductorSubcircuitROM | ee.spice.semiconductorSubcircuit2lookup
