基於MATLABSimscape的多物理場建模：器件級建模
1.前言：
通常情況下，電力電子模擬是可以分為三個等級。第一級是系統級，在系統級模擬中往往更關注系統之間的能量流動，頻率調節，電壓調整，系統中的各組成元件往往是變流器或者火電廠，儲能電站等等，模擬時間尺度在s級以上，常用軟體是MATLAB/Simulink，PSCAD等等，往往是對演算法進行驗證，而忽略具體某一個單元內部的特性；第二級是變流器級，在變流器級模擬，有兩種情況，如果是做演算法模擬，往往會把開關管等效成理想開關，忽略開關暫態，如果是傳統演算法，透過各種控制換來最終生成調製波，如果是智慧演算法，可能需要高速的感測器取樣開關週期的電壓/電流波形，代入智慧化演算法最終得到驅動波形或者ref值。常用模擬軟體如，PSIM，saber，PLECS，MATLAB/Simulink；第三級是是器件級，器件級的模擬，往往需要器件的暫態特性，在電力電子中就是開通及關斷特性，通常需要採用spice模型（下文在介紹軟體時會對spicer模型進行通俗的解釋）。，常用軟體是saber，LTspice，Pspice等等。LTspice優點是軟體小，免費，但是當需要多次執行修改引數的時候，往往需要手動調節（作者經過摸索能透過MATLAB呼叫簡單的LTspice模型，有時間可以分享下），同樣saber也不具有這種多次呼叫並自動修改引數的特點，而且saber軟體較難上手。。。
因此，在此背景之下，作者推薦一款基於MATLAB/SIMSCAPE的模擬平臺，它可以利用MATLAB的m語言多次呼叫，除此之外，它還具有以下優點
1.內部集成了效率測試，損耗測試，EMI測試（僅僅是對模擬，只能作為參考！！！！），只需要一句程式碼就能實現
2.還可以多個模擬模型並行執行（電腦配置得給力）。除此之外，它還支援多物理場聯合模擬，比如電，熱，力，磁等等。
3.還支援跨時間尺度模擬，一個系統裡可以由系統級模擬，變流器級模擬以及器件級模擬。
4.支援Embedded coder程式碼自動生成，大大提高開發效率
這麼多優點，你難道不想pick一下嗎！！
由於這方面資料比較少，作者在研究的時候，主要以官網資料，論壇大佬，以及MATLAB開發者的通訊交流等渠道，在這裡把近期的經驗分享一下，希望可以幫助到各位。
由於內容較多，因此把分享的主題分為三部分，第一部分是器件級建模，第二部分是拓撲級建模，第三部分是多物理場建模。
本次分享主要分為兩塊，
一、對Simscape工具箱做簡要介紹，與大家常用的Simpowersystem相比較的優缺點。
二、如何針對器件級建模其中一種方法，並且將建模得到的器件進行測試，測試結果會和器件裡的datasheet波形進行比較。
（第一次發帖，可能有很多做的還不好，大家多提提意見，一定多多采納。。。）
2.Simscape簡介
Simscape是MATLAB/Simulink下的工具箱，其支援多域物理場建模（電，熱，磁，力），本身自帶了大量的例程以及庫檔案。下圖是將大家相對熟悉的Simpowersystem與Simscape在應用範圍上做一個簡單的對比。
（圖來自MATLAB某次技術交流影片，在這裡做交流使用，若侵請聯絡，立刻刪，謝謝）
跟據這個對比圖可以清楚的看到，Simscape更適合器件級及拓撲級，Simpowersystem更適合拓撲級和系統及。此外，Simscape相對Simpowersystem（新版本改成了Specialized，估計使用新版本MATLAB的使用者還不多，因此為方便交流，還按老版本的命名來）精確度更高，可以建立SPICE級別的器件模擬，但是相對而言其建立的模擬規模要小於Simpowersystem。
常用的庫介面展示：
如上圖所示就是simscape的介面，因為本次主要是分享電力電子相關，因此主要介紹下基礎庫和電子庫，電子庫裡面常用的就是半導體和變換器庫，其它庫大家感興趣可以自行搜尋哈。
3.器件級模擬應用
然後就是本次分享的重點部分，介紹下如何根據datasheet配置simscape裡的器件，在這裡以英飛凌公司的IPPO23NO8N5為例。
上圖右邊就是Simscape庫裡面拖拽出來的MOSFET，雙擊開啟資訊面板，下面我將會對比datasheet與面板資訊逐一填寫。
1。 MOS/IGBT主體引數
a。 Drain-source on resistance，R_Ds（on）（導通阻抗）
一般datasheet會給兩個值或三個值，選取平均值即可，經過測試，影該不大
b。 Drain current，Ids， for R_DS（on）：（漏極電流）
需注意，此漏極電流是對於R_DS（on）：而言，因此參照上一個截圖，應該是10A（該引數對結果影響較大）
只看datasheet，並不能得到最佳匹配結果，會導致誤差變大。
c。 Gate-source voltage， Vgs， for R_DS（on）：（柵源電壓）
同理，該引數也是對於R_DS（on）：而言，因此參照上一個截圖，應該是10V（該引數對結果影響較大）
d。 Gate-source threshold voltage，Vth：（柵源門檻電壓）
經過驗證，此資料是最小電壓貌似更為準確。但是隻對仙童FDP20N50F這個器件而言，目前不具有一般性。
e。 Channel modulation， L：（通道調製）
VI給的是0，官網給的典型值是0.02。（該引數將會影響Id-Vds在Vds較大的時候的趨勢）
溝道長度調製效應是指MOS電晶體中，柵下溝道預夾斷後、
若繼續增大Vds
，夾斷點會略向源極方向移動。導致夾斷點到源極之間的溝道長度略有減小，
有效溝道電阻也就略有減小
，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點，導致在耗盡區漂移電子增多，
使Id增大的效應
。
以在加柵壓Vgs且形成導電溝道的情況下的NMOSFET為例。若漏源電壓Vds增大至不可忽略，溝道電壓降增大直至Vgd=VT時，由於柵漏之間電壓差降低，漏端附近反型層消失，稱為溝道夾斷。若繼續增大Vds，夾斷點將向源端移動，故“看起來”，有效溝道長度減小，稱為溝道調製效應。
f。 Measurement temperature：（通道調製）
25℃。這個沒問題
g。 Source ohmic resistance：（源極阻抗）
VI用的0.08，
help預設是0。025，datasheet沒有給，貌似他這個更準確…
h。 Drain ohmic resistance：（源極阻抗）
VI用的0.08，
help預設是0。025，datasheet沒有給，貌似他這個更準確…
2。 MOS/IGBT電容引數
a。 Input capacitance， Ciss：（輸入電容）
參照datasheet即可（較小的）
b。 Reverse transfer capacitance， Crss：（反向傳輸電容）
參照datasheet即可（較小的）
c。 Output capacitance， Coss：（輸出電容）
參照datasheet即可（較小的）
3。 MOS/IGBT體二極體引數
a。 Built-in voltage：（建立電壓）
參照datasheet即可（影響不大）
b。 Transit time：（暫態時間）
參照datasheet即可（影響不大）
其餘引數直接預設即可。
4.器件級模擬測試
在這裡我們選擇Simscape自帶的測試模型，輸入我們前面設定的引數即可，
可以在command命令輸入：
>>ee_mosfet
上圖就是Simscape自帶的器件測試平臺。
（datasheet）
模擬結果：
（Simscape中的moseft模型）
模擬結果可以看到，當vgs>6V時，波形和datasheet較為吻合，根據datasheet，用於驅動開關管時，GS電壓一般取15V左右。
此外，在這裡再分享另一種建模的模擬結果，該方法是將SPICE模型轉化Simscape的庫，但是模擬速度會比較慢，同時需要略懂一些SPICE語言，模擬結果如下：
模擬結果幾乎和datasheet完全一致，如果大家感興趣，下次寫的時候再分享給大家。
