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如何利用高精度MOSFET模型,設計功率轉換器

發(fā)布時間:2023-08-07 來源:英飛凌 責任編輯:wenwei

【導讀】在設計功率轉換器時,可以使用仿真模型,綜合權衡多個設計標準。其中,使用基于開關的有源器件簡易模型進行快速仿真,可以帶來更多工程參考。然而,與制造商精細的器件模型相比,這種簡易模型在設計中無法提供相等的精度。本文探討了功率轉換器設計員如何結合系統(tǒng)級模型和精細模型,探索更多設計空間,并提高精度。本文使用MathWorks系統(tǒng)級建模工具Simulink? 和 Simscape?,以及精細的SPICE子電路(代表英飛凌車規(guī)級MOSFET),對該過程進行示范展示。


引言


在開發(fā)功率轉換器時,在理論和可行性研究期間,通常進行數值仿真。其仿真模型需要包含模擬電路和相應的數字控制器。通過該模型,可以解答下列設計問題:


-應該使用哪種拓撲結構?

-對于特定拓撲結構,可以實現什么性能?

-應該使用什么PWM開關頻率?

-對于無源組件,需要使用什么數值和額定值?

-應該使用什么類型的功率開關:


類型(例如,MOSFET、IGBT或BJT)?


技術和額定電壓(例如,英飛凌的OptiMOS?或CoolMOS?)和材料(例如,Si、SiC或GaN)?


-對柵極驅動器電路有何要求(包括所需最小死區(qū)時間)?


最后,基于之前的評估:


-可以評估系統(tǒng)效率和組件損耗,進而開發(fā)出一個合適的冷卻系統(tǒng);

-可研究如何權衡系統(tǒng)效率與電磁兼容性。開關損耗和EMI都取決于開關頻率和功率開關的開關速率。


SPICE仿真工具是電路設計人員的首選解決方案。然而,相關設計步驟取決于能否在合理的時間內仿真功率轉換器。諸如Simscape? Electrical?等電路仿真工具,具有簡易的器件模型,這些模型是理想的開關以及可滿足高效仿真需求的列表式開關損耗。此外,與Simulink?的緊密集成,意味著數字控制器也在此仿真范圍內,而無需協(xié)同仿真。然而,假設的理想開關會給后續(xù)以確定效率和微調設計為重點的設計步驟帶來不確定性。通過使用組件制造商開發(fā)的精細SPICE器件模型,則可以解決這種不確定性。本文定義了一個流程,在快速探索設計空間的同時,又可以利用代工廠精細的SPICE組件模型。本流程的核心在于,利用多個不同精度的模型匹配有待解決的具體設計問題。另外重要的一點在于,利用低精度水平預初始化精細仿真模型,以縮短初始化時間。


降壓轉換器設計示范


圖1顯示的是本文作為示例使用的48V/12V DC/DC降壓轉換器。降壓轉換器將輸入電壓(V_IN)降至更低級別的輸出電壓(V_OUT),用于表征其行為的主要等式見下:


等式1:


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式中:


d 代表高邊功率開關(HS_SW)的占空比(0 ≤d ≤1);低邊功率開關(LS_SW)的占空比為d’,其定義如下: 


等式2:


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圖 1:降壓 DC/DC 功率轉換器的結構


基于參考電壓(V_ref)和測得的輸出電壓(V_meas),使用離散時間比例+積分電壓控制器計算所需的占空比(d)。


英飛凌SPICE MOSFET模型


SPICE仿真器是最常用的模擬電路仿真技術,因此,作為事實上的行業(yè)標準,很多半導體制造商都為自己的產品開發(fā)了SPICE模型,以便為電路設計提供支持。


英飛凌的車規(guī)級OptiMOS?功率MOSFET產品組合,樹立了20V-300V范圍內的質量標桿,提供了多種封裝和低至0.55 m?的Rds(on)。英飛凌經典的MOSFET SPICE模型結構見圖2。該MOSFET行為模型[1]描述了功率開關的電氣特性和熱特性。


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圖 2:英飛凌 MOSFET SPICE 模型的原理圖


該模型反應出,流經MOSFET的電流會導致半導體的溫度發(fā)生變化,進而影響MOSFET的電氣參數,例如,電荷載流子遷移率、電壓閾值、漏極電阻、柵漏電容和柵源電容。參考圖 2,熱行為按照以下方式建模:代表MOSFET耗散功率的電流源(Pv)將熱量注入PN結(Tj),然后,熱量通過MOSFET封裝一直傳導到外殼(Tc)。接著,將熱動力學建模為,由集總熱阻(Rthi)和熱電容(Cthi)組成的 Cauer 網絡。然后,通過對熱模型進行模擬仿真,根據給定的設計參數(例如,負載電流、最大允許結溫(Tj)、環(huán)境溫度(Tamb) 和PCB的層厚/層數(Rth PCB和Cth PCB),確定最佳冷卻/散熱器。


將子電路導入Simscape


MathWorks的Simscape [5] 提供了框圖環(huán)境,來模擬多域系統(tǒng)(包括電氣、機械、磁和熱)。隨附的Simscape語言使用微分方程、相關代數約束、事件和模式圖,來表達基礎物理特性。


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圖 3:英飛凌采用 TOLL 封裝(PG-HSOF-8)的車規(guī)級 MOSFET IAUT300N08S5N012


Simscape? Electrical [6]可以將目標SPICE器件模型(例如,MOSFET)導入Simscape中[7]。Simscape與Simulink的密切集成,使得單一求解器可以對數字控制器和模擬電子元件進行仿真,與在不同的仿真工具之間進行協(xié)同仿真相比,這種仿真更加高效。


SPICE的模型導入能力,可用于將英飛凌IAUT300N08S5N012 [2][4]器件(見圖3)導入到Simscape中。導入到Simscape后,為了提供從已發(fā)布模塊中訪問Cauer模型狀態(tài)的權限,我們對Simscape代碼進行了少許編輯。進行流程初始化時,需要提供自定義的內部狀態(tài)訪問權限。


仿真工作流程


將英飛凌器件導入Simscape后,下一步是創(chuàng)建完整的轉換器Simulink模型,其中包括已導入的英飛凌器件、剩余模擬組件和控制器。如圖4所示。


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圖 4:降壓轉換器的精細模型


控制器是通過Simulink離散時間庫模塊實現的,整個模型使用可變步長求解器進行仿真,以便能夠準確地捕獲與寄生效應和MOSFET電荷模型有關的較快時間常數。在Intel? Core? i7-9700 CPU @ 3.00GHz上運行R2021b 版本的MATLAB,一個控制器PWM周期的仿真時間為2.3秒。這個速度足以分析當前工作狀態(tài)下的電路性能,但無法評估電路敏感性,以用于設計參數掃描或直接優(yōu)化電路參數。但這個速度無法仿真到周期穩(wěn)態(tài)——在10秒左右熱時間常數下,相當于20萬個 20kHz PWM周期。


為了滿足有效探索設計空間需求,我們創(chuàng)建了一個系統(tǒng)級降壓轉換器模型。為此,導入的MOSFET器件模型被替換為理想開關,將數據手冊Rds(on)值設定為其固定的導通電阻。參見圖5。忽略了某些較快的寄生效應,例如,MOSFET的引線電感。該系統(tǒng)級模型具有固定的溫度,用戶為假定的結溫設定一個適當的Rds(on)值即可。該模型仿真一個PWM周期需要大約0.05秒,比精細模型要快46倍。由于沒有熱時間常數,現在,最慢的動態(tài)與電壓調節(jié)有關,約為5 ms或100個PWM周期。因此,仿真到穩(wěn)態(tài)大約需要5秒。


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圖 5:降壓功率轉換器的系統(tǒng)級模型


憑借這種仿真性能,這個系統(tǒng)級模型可以用來徹底地探索設計空間和優(yōu)化控制器。做好主要的設計決策后,最后一步就是,使用英飛凌開發(fā)的MOSFET精細仿真模型對設計進行驗證。該驗證通常在由負載功率和環(huán)境溫度定義的一組工作點上進行。不過,我們已經看到,將精細模型仿真到穩(wěn)態(tài),需要20萬個PWM周期,如果每個周期需要2.3秒來仿真的話,這是不切實際的。


為了在特定的操作點,初始化該精細模型,我們提出了一種涉及多個模型的迭代方法??傮w而言,這個理念就是將較慢的時間常數分離出來,作為運行速度較快的獨立模型。在做進一步的解釋之前,還需要使用一個模型,這個模型只對MOSFET和環(huán)境熱狀態(tài)進行建模。見圖6。


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圖 6:兩個 MOSFET 的“純”熱模型


為了構建這個“純”熱模型,我們先對已導入的英飛凌SPICE子電路進行編輯,只留下Cauer網絡。兩個Cauer網絡的輸入是兩個恒定熱流源Q1和Q2,代表每個PWM周期的平均結熱流。這個“純”熱模型可以運行到穩(wěn)態(tài),或使用Simscape,從穩(wěn)態(tài)選項啟動。不論哪種方式,與其他方式相比,它們求解Cauer網絡節(jié)點溫度的時間都是可以忽略不計的。


現在,我們使用這三個模型來初始化周期穩(wěn)態(tài)下的精細模型,如下所示:


1. 運行系統(tǒng)級模型(圖4)到周期穩(wěn)態(tài)。對最后一個完整的PWM周期的MOSFET損耗取平均值,以估算Q1和Q2結損耗。


2. 運行“純”熱模型(見圖6)到熱穩(wěn)態(tài),并記錄兩個Cauer模型節(jié)點的最終溫度。


3. 將精細模型(見圖5)的熱狀態(tài)設為上述步驟2中的值,然后,將其余模型狀態(tài)設為上述步驟1中確定的值。


4. 讓精細模型運行4個完整的PWM周期。對最后一個完整的PWM周期的MOSFET損耗取平均值,然后得出Q1和Q2結損耗的修正估計值。


5. 重復步驟2,修正熱節(jié)點溫度。


6. 重復步驟4,修正初始狀態(tài)和結損耗估值。


如有需要,可重復步驟5和6,但對于本例而言,是不必要的。該模型現在已經足夠接近周期穩(wěn)態(tài),可以用來評估電路性能。


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圖 7:功率開關的損耗和機系統(tǒng)的效率


圖7顯示了為2.85kW負載供電時的瞬時開關損耗和轉換器的總效率。該效率級別是低邊的,設計員的下一步可能是為高邊和低邊開關并聯(lián)兩個或三個MOSFET。需要注意的是,鑒于使用了經過驗證的代工廠SPICE MOSFET模型來生成這些結果,而且這些結果是針對實際電路的,因此,其結果具有很高的精度。與偶爾使用的、基于代表性測試電路的導通和開關損耗數據表的替代方案相比,這具有更高的精度。


整個過程總結下來如圖8所示。該過程以MATLAB腳本的形式實現,可在MathWorks File Exchange [3]下載。該腳本需要花費4分鐘,來運行和產生如圖7所示的結果。而從非初始化狀態(tài)運行非線性模型,以獲得相同的結果,需要一天的時間。


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圖 8:開關功率轉換器仿真流程建議


結論


本文介紹了如何在應用電路模型中,使用代工廠精細的SPICE半導體模型,對預期的電路性能,做出高精度預測。使用了一種雙管齊下的方法,解決了時間常數迥異并有周期穩(wěn)態(tài)的模型的初始化難題。首先,通過將SPICE子電路導入Simulink,并使用可變步長求解器,求解完整的模擬系統(tǒng)和控制器,來避免緩慢的協(xié)同仿真。其次,使用多個精度水平的模型,通過一個簡單的迭代方案,來找到穩(wěn)態(tài)。其結果是端到端設計和仿真速度要比單獨使用SPICE仿真引擎要快。


參考文獻


[1]M?rz, M., Nance, P., “Thermal Modeling of Power-electronic Systems,” February 2000. Available online at www.infineon.com/dgdl/Thermal+Modeling.pdf?fileId=db3a30431441fb5d011472fd33c70aa3..


[2]Huang, A., “Infineon OptiMOSTM Power MOSFET Datasheet Explanation,” Application Note AN 2012-03 V1.1 March 2012. Available online at www.infineon.com/dgdl/Infineon-MOSFET_OptiMOS_datasheet_explanation-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=db3a30433b47825b013b6b8c6a3424c4.


[3]Vuletic, R., Hyde, R., John., D., “Infineon Buck Simscape Example,“ MathWorks File Exchange, February 2022. Available online at https://de.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/106925-infineon-buck-simscape-example.


[4]Available online at https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/automotive-mosfet/iaut300n08s5n012/


[5]mathworks.com/help/physmod/simscape


[6]mathworks.com/help/physmod/sps


[7]mathworks.com/help/physmod/simscape/get-started-with-simscape-language.html


作者:英飛凌Radovan Vuletic與MathWorks 的Rick Hyde



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