언제부터인가 Ansys EM 의 기능에 전력소자 모델링 기능이 탑재되었다.
제조사 데이터 시트의 값과 그래프를 입력해주면 다이나믹 특성이 반영된 전력반도체 모델이 생성된다.
기능을 잘 이용하여 모델을 생성하면 실제결과와 매우 흡사한 결과를 시뮬레이션에서 얻을 수 있다.
여태껏 이 기능의 존재만 알다가 오늘 드디어 모델을 생성할 수있었다. 왜냐하면 모델을 생성하기 위해서는 총 12단계의 생성 과정을 거처야 하기 때문이다. 과정 중간에 다른 일 때문에 그만두는 일이 잦았다.
오늘은 충분한 시간을 가지고 과정을 모두 완료하였고 모델을 생성한 후에 더블 펄스 시험 시뮬레이션을 진행해 보았다.
(오늘은 각 단계별 과정을 정리하기위해 텍스트로만 포스팅을 작성한다. 추후 사진을 첨부하여 다시 정리하도록 하겠다.)
모델링 과정은 다음과 같다.
첫단계에서는 모델 이름, 제조사명 등을 입력한다.
두번째 단계에서는 반도체소자의 공칭 스펙을 입력한다.
세번째 단계에서는 Cin, Cout, Cr, Vgs, 온오프전압 등 데이터 시트를 보고 대표값(Typ)을 입력한다.
네번째 단계에서는 바디다이오드의 대표값을 입력한다.
다섯번째 단계부터는
데이터 시트의 아래 그래프를 생성과정에 입력해줘야한다.
1. Ids(Vgs)
2. Ids(Vds)
3. Isd(Vsd)
등
데이터 입력을 위한 파일 형식은 엑셀, csv 등을 지원한다.
그래프를 값으로 변환하기위하 검색을 통해 디지타이저 라는 프로그램들을 알게되었다. 그래프 그림을 csv파일로 출력하는 프로그램이다.
프로그램 링크를 아래 첨부한다.
https://markummitchell.github.io/engauge-digitizer/
Enguage Digitizer의 사용법은 간단하다
1. 그래프 그림 불러오기
File - Import - 그림 불러오기
2. 출력 데이터의 레이블(이름) 설정하기
Next - 데이터 레이블 설정, with lines 체크 - Next - Finish
3. 그래프의 축 결정하기
도구모음에 그래프 축에 빨간색 세 점이 찍힌 기능이 선택된것을 확인하고
원점, x축 끝점, y축 끝점을 클릭하고 각 포인트의 값을 입력한다. Ex) 원점: x=0, y=0 X축 : x=100, y=0, Y축 : x=0, y=100
4. 그래프 자동 탐색하기
녹색 자동탐색 기능을 사용하고 그래프의 선을 클릭한다. 자동으로 파란 X마크가 그래프에 그려진다.
값으로 변환할 원하는 선을 클릭하는데 선이 다른 선이나 텍스트에 겹쳐있을 경우 선택이 되지 않는다.
이때는 수동마킹단계로 넘어간다.
5. 그래프 수동 마킹하기
수동마킹단계 그래프의 선에 직접 사용자가 마킹한다. 마킹을 하면 자동으로 선형 보간되어 파란색 선과 X마크가 생성된다.
6. 마킹이 완료되면 export 추출하기기능으로 마킹 데이터를 csv 파일로 추출한다.
추출화면에서 파일 형식을 .tsv 로 바꿀수도 있다.
7. 마킹된 설정을 저장한다. 나중에 불러와서 다시 작업 하거나 수정할 수 있다.
이렇게 그림으로 된 그래프를 하나하나 csv파일로 만든 후 각 단계별로 필요한 파일을 불러온다. 값을 불러온 후에는 커브피팅을 진행 할 수 있다. 커브피팅 방식은 RMS 방식과 Gradient 방식이 있다. 대표적인 최적화 알고리즘이다. 두개 중 하나를 선택하여 그래프를 피팅한다.
오늘 처음 써보는 기능이라 커브 피팅에서 오히려 그래프가 더 오차가 발생하게 최적화 되어버린다. 이 부분은 안하고 넘어갈수 있는지. 확인이 필요하다.
커브피팅 과정까지 완료되면 결과를 확인 할 수 있고 다음 과정으로 넘어갈 수 있다.
이렇게 반복으로 11단계까지 넘어가면 온시간, 오프시간, 온 손실, 오프 손실, Qrr, Trr 등 값을 입력하고 최적화 옵션들을 입력한다.
12단계에서는 파라미터 최적화를 진행한다. 남은 다이나믹 파라미터들을 최적화 알고리즘을 통해 자동으로 결정된다. 10분~20분 최적화를 진행한 후 완료되면 시뮬레이션 할 수 있는 반도체 소자 모델이 탄생한다.
더블펄스시험 회로를 구축하고 시뮬레이션을 진행해 보았다.
회로는 전압원, DC Loop 저항, DC Loop Stray 인덕턴스, 상단 스위치, 하단 스위치, 인덕터 부하, 게이트 저항, GS 저항, 게이트 소스 전압원으로 구성된다.
게이트 소스 전압원을 Controlled Voltage Source로 동작시키기 위해 Step 신호를 인가한다.
4개의 Step 신호를 더해 시간에 따라 게이트 소스 전압 신호가 온, 오프 전압으로 인가될수 있도록 dVgs를 설정한다.
시뮬레이션을 통해 스위치의 다이나믹 특성을 확인 할 수 있다.
시뮬레이션을 통해 다이나믹 특성을 가진 스위치 모델링을 완료했다는 원하던 결론은 얻었지만 실제와 차이가 있는 다이나믹 모델이 만들어졌다.
추후에는 좀더 실제 모델과 유사한 모델을 생성할 수 있도록 모델링 과정을 보완하는 것이 필요하다.
출처:
Engauge Digitizer
Engauge Digitizer
The Engauge Digitizer tool accepts image files (like PNG, JPEG and TIFF) containing graphs, and recovers the data points from those graphs. The resulting data points are usually used as input to other software applications. Conceptually, Engauge Digitizer
markummitchell.github.io
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