High-Speed Accurate Digital Modeling of Power Electronics Converters with Transient Dynamics
Author
Han, Xu
Term
4. term
Education
Publication year
2025
Abstract
This thesis develops and validates a high-speed, high-fidelity digital simulation framework for power electronic converters that faithfully captures MOSFET switching transients within circuit-level models. The approach uses Modified Nodal Analysis (MNA) with companion discretization to automatically assemble and solve circuit equations, including nonlinear device dynamics. A physics-based MOSFET model incorporates gate-charge behavior, voltage-dependent capacitances, parasitic inductances/resistances, and body-diode reverse recovery; parameters are drawn from datasheets and curve fitting, and the model is validated through double-pulse tests. To balance computational efficiency and waveform detail, a two-stage flow decouples system-level simulation—using ideal switches to locate switching events—from localized, high-resolution transient analyses seeded with initial conditions. Demonstrations include a three-phase inverter where the discretization-based MNA and explicit models match MATLAB/Simulink benchmarks, and measured overshoot and ringing in double-pulse experiments are reproduced. The result is a modular framework that achieves the speed of ideal-switch simulations while recovering detailed device-level waveforms for rapid, accurate converter performance assessment.
Dette speciale udvikler og validerer et højhastigheds og højpræcist digitalt simuleringsrammeværk til effektelektroniske konvertere, der realistisk gengiver MOSFET-koblingstransienter i kredsløbsmodeller. Metoden bygger på Modified Nodal Analysis (MNA) med companion-diskretisering til automatisk at opbygge og løse kredsløbsligninger, også for ikke-lineære enheder. En fysikbaseret MOSFET-model indarbejder gatedynamik, spændingsafhængige kapacitanser, parasitiske induktanser/modstande og body-diodens reverse recovery; parametre hentes fra datablad og kurvetilpasning, og modellen valideres med dobbeltpulsforsøg. For at forene beregningseffektivitet og bølgeformsdetalje indføres en totrins simulering: trin 1 foretager systemniveausimulering med ideelle kontakter for at identificere koblingstidspunkter, og trin 2 udfører lokal, højopløselig transientanalyse omkring de pågældende MOSFET'er med initialbetingelser fra trin 1. Rammeværket demonstreres bl.a. på en trefaset inverter, hvor MNA-modellen matcher MATLAB/Simulink-referencebølgeformer, og de målte oversving og ringninger i dobbeltpulsforsøgene reproduceres troværdigt. Resultatet er en modulær tilgang, der kombinerer hastigheden fra ideel-kontakt-simuleringer med detaljerede enhedstransienter og muliggør hurtig og nøjagtig vurdering af konverterpræstation.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]