【導讀】在設計和部署適應惡劣汽車環境的先進解決方案時
，設計人員需要用戶友好
、快捷且對硬件要求較低的交互式模擬仿真工具。采用分布式智能能夠釋放係統性能，但對係統韌性和實時反饋能力提出了要求。

在設計和部署適應惡劣汽車環境的先進解決方案時，設計人員需要用戶友好
、快捷且對硬件要求較低的交互式模擬仿真工具。采用分布式智能能夠釋放係統性能
，但對係統韌性和實時反饋能力提出了要求。

在汽車行業，設計人員需要解決
、減少和預防一些可能導致發動機控製模塊(ECM) 或其他電子控製單元(ECU) 等關鍵部件損壞的嚴重問題。這些係統故障可能帶來事故或其他安全隱患。

為了應對這些危險，汽車廠商采用了各種保護措施，例如，保險絲
、斷路器和過壓保護裝置，以及防止關鍵部件過熱的熱管理技術。

準確的模擬工具有助於提前發現潛在的問題，讓工程師能夠對設計進行必要的修改或調整，第一時間防止這些問題發生。

此外，模擬實驗還可以優化電氣係統的設計
，確保其能夠處理可能遇到的最大電流和電壓
，讓汽車係統變得更安全可靠。

全麵的模擬功能至關重要

在下一代汽車的研發中，工程師在配電方麵麵臨諸多挑戰
，需要采用分布式智能方法來同步解決幾個關鍵因素：

§ 車輛韌性；

§ 能效；

§ 可持續性

對意外事故、惡劣天氣、設備故障等不可預見情況的承受能力對車輛韌性至關重要。能效在降低功耗、碳排放和保養費用方麵發揮著關鍵作用，同時有助於提高整車性能和可靠性。 可持續性是降低車輛對環境的影響和促進低碳的關鍵因素。

為wei了le實shi現xian這zhe些xie目mu標biao，工gong程cheng師shi必bi須xu使shi用yong經jing過guo全quan麵mian模mo擬ni實shi驗yan驗yan證zheng的de創chuang新xin的de解jie決jue方fang案an和he概gai念nian
，以yi開kai發fa出chu滿man足zu行xing業ye需xu求qiu的de先xian進jin汽qi車che係xi統tong，並bing提ti供gong更geng安an全quan
、更可靠、更可持續、更愉悅的駕駛體驗。配電係統所用的智能功率開關管是複雜的電子元器件
，需要經過電熱模擬實驗
，才能保證最佳性能。

分析功率開關的電氣行為，包括開關管的高電壓電流的處理能力、響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)，以(yi)及(ji)檢(jian)測(ce)和(he)隔(ge)離(li)故(gu)障(zhang)的(de)能(neng)力(li)，都(dou)離(li)不(bu)開(kai)電(dian)模(mo)擬(ni)實(shi)驗(yan)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，分(fen)析(xi)開(kai)關(guan)在(zai)操(cao)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)需(xu)要(yao)做(zuo)熱(re)模(mo)擬(ni)實(shi)驗(yan)
，因(yin)為(wei)熱(re)量(liang)會(hui)影(ying)響(xiang)開(kai)關(guan)的(de)性(xing)能(neng)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。通(tong)過(guo)做(zuo)電(dian)熱(re)模(mo)擬(ni)實(shi)驗(yan)，工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)優(you)化(hua)智(zhi)能(neng)開(kai)關(guan)的(de)設(she)計(ji)，確(que)保(bao)其(qi)滿(man)足(zu)設(she)計(ji)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)安(an)全(quan)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)。采(cai)用(yong)模(mo)擬(ni)驗(yan)證(zheng)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)能(neng)效(xiao)
、可靠性和安全性，同時確保係統實現合理有效的保機製和診斷功能。

1.了解產品信息

為了確保做出最佳選擇，必須在用戶友好、可定製的交互式環境中做模擬實驗，這樣才能快速了解智能開關的行為。第一步是確定哪些產品符合電氣要求。

意法半導體的電熱模擬器 TwisterSIM 是實現此目的的理想工具，為選擇VIPower chanpinzhuanmensheji
，baokuozhinenggaodibianqudongqi，yijiyongyudianjikongzhidequanqiaotuopu。gaimonigongjukeyicongliebiaozhongzhunquexuanzehouxuanqijian，bingtigongjibendechanpinxinxi。yinci
，shejirenyuankeyikuaisuqingsongdipinggubutongdezhinengkaiguandexingneng，bingxuanzezuishihetedingyongtudekaiguan，rutu 1 所示。

圖1：VIPower智能驅動器預選

根據電源電壓
、器件拓撲、通道數量、負載類型和特性、電源類型、環境溫度和 PCB 功率耗散麵積等各種輸入數據，該模擬器可以提供有關預計最大結溫 (TJMAX) 的寶貴信息，進行快速有效的產品預選。

這些信息至關重要，有助於為每個通道選擇合適的通態電阻 (RON) ，並確保工作狀態下的熱預算滿足器件的絕對最大額定值。

2. 深入了解性能

為了研究驅動器的電熱行為，模擬器生成一個原理圖電路
，電路中包含預選器件以及分別與電池和負載連接的輸入/輸出電路（圖 2）。

圖2：VIPower驅動器模擬實驗的電路圖

其中：

VBATT是電池電壓；

VIN 是微控製器的輸入電壓
；

RLINE_IN 和 RLINE_OUT 是驅動器輸入和輸出端的電線寄生電阻。

在開始模擬之前，需要先執行定義步驟，自定義項目參數。在此階段，設計人員確定電路圖中元件的參數值和模擬設置。

電路圖中元件的參數值對於確定電路的行為至關重要
，必須仔細選型
，確保電路符合性能規格要求。

模(mo)擬(ni)設(she)置(zhi)是(shi)定(ding)義(yi)設(she)計(ji)者(zhe)想(xiang)要(yao)通(tong)過(guo)模(mo)擬(ni)實(shi)驗(yan)再(zai)現(xian)並(bing)分(fen)析(xi)哪(na)些(xie)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)況(kuang)
，例(li)如(ru)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)想(xiang)要(yao)檢(jian)查(zha)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)
，確(que)定(ding)功(gong)耗(hao)或(huo)評(ping)估(gu)電(dian)路(lu)的(de)熱(re)行(xing)為(wei)。

通過自定義項目參數，設置模擬變量，設計人員可以確保模擬結果準確反映電路的行為
，並提供優化設計所需的信息（圖 3）。

圖 3：模擬定義過程

用TwisterSIMjinxingmonishiyandeyidahaochushi
，keyizaimoniguochengzhongshishixianshimonijieguo。cigongnengyunxushejirenyuanzaimoniguochengzhongjianshidianludegongzuoxingwei，bingkuaisushibiechuwentihuoxuyaogaijindedifang。

模mo擬ni結jie果guo的de實shi時shi顯xian示shi可ke以yi幫bang助zhu設she計ji者zhe提ti高gao設she計ji優you化hua的de效xiao率lv和he效xiao果guo
，例li如ru，當dang模mo擬ni結jie果guo顯xian示shi電dian路lu消xiao耗hao過guo多duo電dian流liu或huo溫wen度du上shang升sheng過guo快kuai時shi，設she計ji人ren員yuan可ke以yi快kuai速su調tiao整zheng電dian路lu參can數shu，立li即ji看kan到dao參can數shu變bian化hua對dui模mo擬ni結jie果guo的de影ying響xiang。

此功能可以節省時間和資源，因為設計人員不必等到模擬結束，就能快速發現並解決問題。TwisterSIM的實時顯示模擬結果可以提高設計優化的效率和效果
，從而提高配電係統的能效
、可靠性和安全性。

3. 按需定製模擬結果

圖4：根據數據可視化定製曲線和圖表

工程師可以修改模擬參數、數據和可視化圖形，以滿足他們的特定需求，做出知情決策，並獲得最佳結果。該模擬器為分析和優化 VIPower 電路提供了多種工具，例如，熱圖、電流電壓波形



，以及功耗分析，如圖 4 所示。

設計人員可以用 TwisterSIM設she計ji開kai發fa高gao效xiao且qie具ju有you韌ren性xing的de驅qu動dong器qi，讓rang其qi具ju有you有you效xiao的de診zhen斷duan和he保bao護hu功gong能neng，具ju體ti實shi現xian方fang法fa是shi優you化hua設she計ji的de性xing能neng和he可ke靠kao性xing，降jiang低di熱re應ying力li或huo電dian應ying力li引yin起qi的de失shi效xiao風feng險xian，集ji成cheng錯cuo誤wu再zai現xian和he極ji限xian參can數shu記ji錄lu等deng功gong能neng。此ci外wai，這zhe種zhong設she計ji方fang法fa還hai可ke以yi降jiang低di線xian束shu尺chi寸cun和he重zhong量liang，從cong而er減jian少shao車che輛liang的de碳tan足zu跡ji。

危急場景

在惡劣的汽車生態係統中
，特別是重複短路事件可能導致熱關斷 (TSD) 的情況，考慮實現熱保護機製是至關重要的。

在這種情況下
，驅動器會嚐試通過功率限製保護措施（最大電流和熱滯循環）重新啟動係統，並保持 TSD 模式，直到過熱問題消除。

TwisterSim也有這種特定的控製功能，以高邊驅動器 VND9012AJ（采用VIPower M0-9 技術研製的智能功率開關）為例，TwisterSim可以準確地再現開關的工作情況，然後將模擬結果與實驗數據進行比較
，如圖 5 所示。

圖 5： VND9012AJ 在重複短路事件情況下的模擬結果與實驗數據的比較

其中： 

IOUT是驅動器的輸出電流；

Dt是指模擬結果與實測數據中 的TSD事件之間的時間差。

模擬結果表明，TwisterSIM 是一種高效的工具，可以精確地模擬和仿真熱保護機製的限流和熱關斷 (TSD) 觸發情況。

輸出電流值的模擬數據誤差小於2%，而TSD發生時間誤差約為0.8 ms。這證明 TwisterSIM 在現實條件下預測係統行為的正確率很高。

結論

隨sui著zhe下xia一yi代dai汽qi車che時shi代dai的de到dao來lai，工gong程cheng師shi麵mian臨lin著zhe研yan發fa先xian進jin解jie決jue方fang案an的de挑tiao戰zhan
，部bu署shu分fen布bu式shi智zhi能neng可ke以yi讓rang係xi統tong釋shi放fang強qiang大da的de性xing能neng。為wei了le實shi現xian這zhe一yi目mu標biao

，新xin設she計ji必bi須xu優you先xian考kao慮lv能neng效xiao和he韌ren性xing，功gong能neng全quan麵mian的de模mo擬ni工gong具ju對dui於yu確que保bao準zhun確que性xing和he有you效xiao性xing至zhi關guan重zhong要yao。

通過充分利用 TwisterSIM 的功能，開發者可以優化新的 VIPower 驅動器設計
，獲得最高的性能和可靠性，同時最大限度地降低熱應力或電應力引起的失效風險
，為綠色低碳的可持續發展鋪平道路。

參考文獻

[1] “TwisterSIM: Dynamic electro-thermal simulator for VIPower products”, Databrief on https://www.st.com/resource/en/data_brief/twistersim.pdf, Sep. 2023.

[2] M. Bonarrigo, G. Gambino, F. Scrimizzi, "Intelligent power switches augment vehicle performance and comfort", Power Electronics News, Oct. 10, 2023.

[3] A. Brighina, F. Giuffrè, “Interactive analog/digital mixed signal modeling via HDL simulator and foreign VHDL/Verilog C interface”, Electronicsforyou, Electronics & Technology Portal, 2011.

[4] D. Maksimovic, A. M. Stankovic, V. J. Thottuvelil, G. C. Verghese, “Modeling and simulation of power electronic converters”, Proc. of IEEE, vol. 89, no. 6, Jun. 2001.

（來源：意法半導體意大利卡塔尼亞公司
，作者： Giusy Gambino, Alessio Brighina, Francesco Giuffre’, Filippo Scrimizzi）

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