如何通过建模与仿真提升电力电子组件的设计与性能?

建模过程被称为建模，而仿真被定义为使用模型研究实际或理论系统的行为和性能的过程。在仿真中，模型可以用于研究系统的现有或拟议特性。对于大型互联系统的仿真，建模方法被证明是非常有效的。这篇文章介绍了解电力电子组件建模与仿真的基础知识，以及建模与仿真工作中的优缺点。

图1

建模与仿真的概述

建模与仿真概念涉及使用模型作为仿真的基础，以开发用于决策的数据，这些数据涉及技术和管理方面。模型可以是任何形式的，例如系统、实体、过程或现象本身的物理、数学或逻辑表示。仿真是使用这些模型的过程，这些模型作为实际物理模型的数字原型，并预测其在实际世界中的表现。建模与仿真生命周期的基本元素如图1所示。

电力电子系统广泛用于实现各种应用的电力处理，功率范围从几毫瓦到数百兆瓦。它们通常涉及包括半导体开关和二极管在内的开关电路，以及电感器、电容器和电阻器等被动元件。它们还可能包括用于控制目的的集成电路。由于这些系统的复杂性和广泛性，这些系统的设计和分析过程面临着大量挑战。

为了解决这一情况，建模和仿真工具变得非常重要。它们帮助设计工程师更好地理解电路的操作。这使设计师能够根据规格选择正确的拓扑和合适的电路组件。这也作为评估电路性能的工具，同时预测基于电路组件值修改的操作条件变化。

建模与仿真的区别

建模与仿真的关键区别在于，建模是使用不同方法构建物理系统的精确表示的过程，而仿真则是确定系统在不同条件下对不同输入响应的过程。通过模拟场景来发现和理解现实系统的表现，同时获得建模方面的洞察。当使用数学技术对现实情况进行建模时，关键变量、约束和权衡都会被考虑在内，以便获得可行的最佳解决方案，达到预期目标。

另一方面，仿真评估多种场景，以揭示和分析系统响应。该过程涉及通过测试系统的理论、数学或物理表示来研究现实系统的行为和性能。例如，蒙特卡罗方法是一种仿真方法，它基于概率利用随机生成的输入来确定各种场景的结果。然而，并非所有结果都是可行的，也不能确定单一的最佳解决方案。

优缺点

建模有助于从不同角度查看系统。这也促进了使用模型可追溯性方面发现模拟场景的原因和影响，这种方式安全、准确且具有成本效益。它帮助可视化系统，同时有助于在系统开发生命周期的早期评估风险及可能的替代方案。仿真有助于解决现实问题，并通过对复杂系统分析提供清晰的洞察来评估可行的解决方案。它提供了在实际构建硬件之前评估产品或系统的能力。这有助于探索阶段并预测意外问题。实时仿真通过允许根据所需速度和时间间隔改变模型运行，增强了基本能力。

仿真的一个关键缺点是，它的质量仅取决于用来实施它的假设和规则。有时，创建一个准确现实的模型是极其困难的，因为数据和算法是基于过去场景收集的研究和信息。程序员所犯的错误可能会对依赖仿真结果做出的决策产生不利影响。这削弱了模型的可信性，也可能是模型保真度不足的结果。创建可靠模型的过程涉及大量时间，并且使用或重复使用模型需要一定的学习曲线。这些都必须在开发周期中考虑。