非理想裝置設計與模擬

非理想裝置模擬 Non-Ideal Device Simulation

理想開關(Ideal switches)在大部分模擬情境下都非常有用，但當我們需要更詳細的結果時，就必須用上「非理想開關模型」來確保模擬能正確地收斂。

雖然不是每個設計案都需要模擬開關轉換的細節，但像是電壓過衝、電磁干擾（EMI濾波器設計）還有其他瞬態相互作用效應，常常就是產品能正常運作或直接燒掉報廢的關鍵差別！

使用非理想開關模型，可以幫助你了解這些問題：

電壓過衝
電磁干擾（EMI）
效率
驅動電路需求
長電纜中的相互作用
在高頻下寄生電感和電容帶來的相互作用

不過，當我們在模擬裡加了非理想開關，也要注意模擬結果是不是跟實際接近。同時，因為加了很多小的電感電容值，再加上高頻振盪，數值不穩定問題也容易跑出來，因此您需要使用像 PSIM 這種穩定的求解引擎來跑模擬。

非理想開關 (NON-IDEAL SWITCHES)

讓模擬的結果有意義又沒有穩定性問題

一個好的非理想開關模型應該要能模擬出真實元件的轉換行為，但又不能弄得太複雜，不然模擬需要很長時間，而且數值的穩定性也會令人質疑。PSIM 提供的模型可以做到結果可靠，又不用擔心模擬穩定性的問題。

開關和傳導損耗

讓損耗計算變得簡單

損耗主要包含開關損耗與傳導損耗，這些損耗會受到電壓、電流、溫度以及閘極驅動等條件的影響。在某些情況下，若不需要特別詳細地模擬開關轉換過程，只是為了進行損耗估算，直接進行詳細模擬反而過於繁瑣。針對這類需求，PSIM 提供了專用的熱模型，能夠在不進行複雜開關模擬的情況下，快速且有效地計算開關損耗。

EMI 分析與濾波器設計

轉換器必須通過電磁干擾（EMI）相關的標準，在去實驗室做測試之前，PSIM 的設計工具可以幫助我們先行比對轉換器的傳導干擾與目標標準，並協助設計濾波器，讓我們在硬體測試時能減少意外狀況。

非理想開關模擬

在大多數模擬情境下都會建議使用理想開關。不過，實際開關轉換的細節，有時候真的會決定電源轉換器是成功運作，還是失敗。在設計時，我們必須仔細觀察像是電壓過衝、米勒電容耦合效應、吸收電路（Snubber）設計、開關損耗，還有整個電路中寄生電感與電容的交互作用。使用非理想開關模型，還能模擬出開關開啟/關閉時真實的 dv/dt 和 di/dt，這對分析長電纜中的瞬態效應特別重要。

PSIM 提供了多種不同精度等級的非理想開關模型，讓我們可以根據需求選擇適合的模擬方式。在 PSIM 裡，Level 2 的開關模型可以模擬出接近 SPICE 模型的開關轉換行為。這個模型需要搭配適當的驅動電路，同時也支援 Si MOSFET、SiC 和 GaN FET，以及 IGBT 的模擬。PSIM 也有 Level 2 的二極體模型，可以考慮反向回復行為。另外，我們也可以直接從 PSIM 連接到 LTspice，使用各大廠牌提供的 SPICE 模型。不過，PSIM 自家的模型在收斂速度和數值穩定性方面有很大優勢。

PSIM 提供的非理想開關模型，不僅模擬精度接近真實硬體，而且計算速度比市面上其他非理想模型快上好幾倍。

開關損耗與傳導損耗

在任何電源轉換器設計中，「效率」永遠是非常重要的一環，而主要損耗的來源是開關元件在切換狀態時產生的損耗。開關元件的損耗分成兩類：傳導損耗和開關損耗。影響損耗的因素包含電流、電壓、開關速度、接面溫度，以及驅動電路條件。

設計時我們需要能夠做到：

確保元件在安全工作範圍內運作
比較不同元件及不同操作條件下的損耗
評估散熱器的需求
計算整體系統效率

開關損耗對於模擬工具來說是一個棘手的問題。要正確模擬開關損耗，必須有準確的非理想開關轉換行為，這通常需要使用非常小的時間步長。如果我們想要模擬例如 PFC（power factor correction）在 60Hz 的一個完整基波週期，這種極小時間步長會讓模擬時間變得非常長，幾乎不實際。

PSIM 具有特殊的熱模型，將開關轉換視為理想狀態，然後根據查找表計算損耗，同時考慮：開關兩端的電壓、流過開關的電流、結溫和閘極驅動電路。這些熱開關與現實世界的損耗具有極好的相關性，並且僅需執行更現實的開關轉換的計算要求的一小部分。

為了更好的計算效率，這種熱模型能在計算負擔非常小的情況下，提供和實際損耗非常接近的結果。但如果需要更高精度的效率計算，可以使用 PSIM Level 2 模型，因為它模擬的是更真實的開關轉換行為。

支援的元件類型

PSIM 熱模型：

IGBT
MOSFET
寬能隙元件（SiC & GaN FET）
二極體
電感（包含磁芯及繞線損耗）

PSIM Level 2 模型：

所有 FETs
IGBT
二極體

電磁干擾（EMI）與濾波器設計

實際產品最終都需要通過 EMI（電磁干擾）認證，而 EMI 認證主要包含兩個部分：輻射發射(Radiated Emission)與傳導發射(Conducted Emission)。PSIM 可以協助我們進行傳導電磁干擾（Conducted EMI）的分析與抑制設計來減少傳導發射。要分析傳導 EMI，需要具備真實的寄生元件，例如差模與共模雜訊路徑上的寄生參數，還有真實的開關轉換行為。

在 PSIM 中，可以透過 Level 2 模型模擬真實的開關轉換，同時加入寄生元件。然而，像是接地電容、導線電感等寄生元件通常數值非常小，這些小數值會讓模擬變得困難又耗時。PSIM 的強項之一，就是在這類高頻、數值細緻的模擬中，仍然能保持穩定的收斂性與數值解法能力，這點在 EMI 分析中特別關鍵。

利用 PSIM 的 EMI 設計工具，您可以：

測量共模與差模雜訊
疊加與比對相關標準（如 FCC、CISPR、MIL 等）
自動產生濾波器以降低雜訊干擾

想了解更多資訊，或有任何相關需求，歡迎與我們聯繫。

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