SaberRD示例设计：三相230V交流转28V直流变换器

介绍

随着对产品质量和可靠性要求的不断提高，仿真已成为产品开发过程中的关键步骤。SaberRD 一直有助于为设计人员提供所有必要的功能，以最大限度地减少电路仿真工作。

SaberRD除了拥有众多的分析工具、庞大的器件库、超强的仿真器、众多的建模工具、易用的GUI等功能外，还为设计人员提供了强大的工具，如实验分析器、故障分析工具、 和最坏情况分析 （WCA）工具。

本设计示例详细介绍了将Experiment Analyzer与WCA工具结合使用来优化设计以满足指标。本例是一个带有 20-60 A 负载的 3 相 230V 400 Hz AC 至 28V DC 变换器。为了实现这一点，使用了下面提到的设计指标。

设计指标

下表是交流转直流变换器的规格：

表1详细设计指标

设计细节

三相 AC 到 DC 变换器包括以下模块。请参看图 1 显示的完整电路图。

• 三相交流电源
• 自适应线路滤波器
• 变压器整流单元
• DC 到 DC 降压变换器
• 控制回路
• PWM 脉冲发生器

图1 电路原理图

以下各节对每个模块进行了简要说明：

1、三相交流电源：

该模块由 Sabre 库中的三相电机组成，用作交流发电机。该模型产生三相交流电。

2、自适应线性滤波器：

自适应线路滤波器，如下图2所示，旨在满足交流发电机输出在幅度和频率方面的广泛变化。在自适应线路滤波器中，电感大小根据来自 TRU 的整流电压进行调整。

图2 自适应线性滤波器电路

3、变压器整流单元（TRU）：

TRU 是一个 12 脉冲二极管整流桥式整流器。这是 Delta-Delta 变压器和 Delta-Star 变压器的组合。这些变压器的输出使用三相二极管桥式整流器进行整流。使用这种配置，输出电压纹波很低，输入电流不会有三次谐波。原理图见下图3所示。

图3 变压器整流单元（TRU）

4、DC-DC降压变换器：

使用高频 DC-DC 开关变换器将TRU 的直流输出降压到所需的电压水平。本设计中使用的配置是降压变换器。

5、控制回路和 PWM 脉冲发生器：

闭环控制由外电压环和内电流环组成，以实现更快的瞬态响应。该控制逻辑的输出被馈送到PWM 脉冲发生器，该发生器为电源开关生成门脉冲。

电路分析

在SaberRD中对电路进行瞬态分析，以验证设计的电路是否满足表1中给出的所有规范。按下面的步骤进行：

1）运行瞬态分析

2）绘制所有需要的波形

3）测量参数

4）计算输入/输出功率，从而计算效率

5）检查测量值是否在规格范围内

6）如果满足所有规格，则设计完成

7）如果不满足，请修改设计并重新运行步骤1-5，直到满足规格

所有这些任务都可以使用Experiment Analyzer和最坏情况分析（WCA） 工具在 SaberRD 中自动化处理。Experiment Analyzer可用于执行上面的步骤 1-6，并为设计人员提供一份关于满足和不满足规格的报告。然后，设计人员可以使用 WCA 工具执行步骤 7 并优化更改电路参数，以便设计符合规范。

上述部分介绍了三相 AC 到 DC 变换器设计优化的过程。下面是具体的操作

第一步：加载设计

下载示例three_phase_ac2dc_conv.zip，解压到本地。然后在SaberRD中打开设计three_phase_ac2dc_conv.ai_dsn。

第二步：创建实验

1） 有三个途径可以创建实验：

• 选择File > New > New Experiment.
• 在Simulate选项卡中，分析工具下拉栏选择Experiment创建
• 在Experiment窗口中创建。

2） 在Experiment选项卡中添加所需的分析。

3） 添加Graph并选择要绘制的信号（定义图形和绘制信号选项）。

4） 将Measurements添加到各种信号以比较规格（测量选项）。

5） 添加各种“Test”，用于将不同规格与测量值进行比较。

为便于使用，设计中已经创建了一个实验Design_Specifications.ai_expt。用SaberRD打开该实验。实验中所有列出的点在都可以被观察到。

流程如图 4 所示。

图4使用实验分析器工具的实验流程

第三步：运行实验并分析结果

1）在Simulate选项卡中，从列表中选择分析和设计规范中的实验。

2）单击运行，分析开始。

3）当实验中列出的所有步骤都运行时，进度条显示 100%。

4）实验结果和实验中提到的图形显示在结果窗格中。

5）双击实验报告以检查设计是否满足所有规格。

如图 5 所示，可以看出效率不符合设计规格。

图 5实验报告-效率不符合规范

第四步：优化设计

1）打开 WCA 工具，并选择使设计满足规范 7 的参数。

2）在这种情况下，要考虑“ron”（电源开关的导通电阻）。选择一个适用的“导通电阻”范围。

3）选择要进行的测量以实现目标函数。

4）选择一个目标函数。在这种情况下，效率 = 80%。

5）运行分析。

图 6 显示了 WCA 分析设置的屏幕截图。此外，为了方便学习，此实例中已经提供了设置文件。要使用保存的 WCA 分析，请调用 WCA 工具，然后选择 File > Open>efficient_improve.ai_wca。这将打开如图 6 所示的设置。

图6 WCA设置

6）运行列出的三个算法后，将实现“ron”的最佳值，如图 7 所示。单击图 7 中突出显示的导出参数按钮将参数导出到原理图。

图7 WCA分析结果 (ron = 0.116 ohm)

第五步：验证设计变更

重新运行实验，打开实验结果。可以看出，规范7现在是“Pass”，这意味着效率>=80%。图 8 是实验结果的快照，显示满足所有规格。

图8 实验结果显示满足所有规格

结论

从实例中可以看出，SaberRD可通过以下方式使用Experiment Analyzer工具和 WCA 工具自动进行电路分析和优化：

• 依次执行各种分析。
• 根据各种规格或条件验证设计。
• 优化设计。
• 验证设计更改。