如何利用高精度MOSFET模型，設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)換器

在設(shè)計(jì)功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以使用仿真模型，綜合權(quán)衡多個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其中，使用基于開關(guān)的有源器件簡(jiǎn)易模型進(jìn)行快速仿真，可以帶來更多工程參考。然而，與制造商精細(xì)的器件模型相比，這種簡(jiǎn)易模型在設(shè)計(jì)中無法提供相等的精度。本文探討了功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)員如何結(jié)合系統(tǒng)級(jí)模型和精細(xì)模型，探索更多設(shè)計(jì)空間，并提高精度。本文使用MathWorks系統(tǒng)級(jí)建模工具Simulink? 和 Simscape?，以及精細(xì)的SPICE子電路（代表英飛凌車規(guī)級(jí)MOSFET），對(duì)該過程進(jìn)行示范展示。

引言

在開發(fā)功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，在理論和可行性研究期間，通常進(jìn)行數(shù)值仿真。其仿真模型需要包含模擬電路和相應(yīng)的數(shù)字控制器。通過該模型，可以解答下列設(shè)計(jì)問題：

-應(yīng)該使用哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？

-對(duì)于特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)什么性能？

-應(yīng)該使用什么PWM開關(guān)頻率？

-對(duì)于無源組件，需要使用什么數(shù)值和額定值？

-應(yīng)該使用什么類型的功率開關(guān):

類型（例如，MOSFET、IGBT或BJT）？

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

-對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器電路有何要求（包括所需最小死區(qū)時(shí)間）？

最后，基于之前的評(píng)估：

-可以評(píng)估系統(tǒng)效率和組件損耗，進(jìn)而開發(fā)出一個(gè)合適的冷卻系統(tǒng)；

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

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

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)示范

圖1顯示的是本文作為示例使用的48V/12V DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓（V_IN）降至更低級(jí)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：

式中：

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

等式2：

圖 1：降壓 DC/DC 功率轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

基于參考電壓（V_ref）和測(cè)得的輸出電壓（V_meas），使用離散時(shí)間比例+積分電壓控制器計(jì)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(shù)，因此，作為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很多半導(dǎo)體制造商都為自己的產(chǎn)品開發(fā)了SPICE模型，以便為電路設(shè)計(jì)提供支持。

英飛凌的車規(guī)級(jí)OptiMOS?功率MOSFET產(chǎn)品組合，樹立了20V-300V范圍內(nèi)的質(zhì)量標(biāo)桿，提供了多種封裝和低至0.55 m?的Rds(on)。英飛凌經(jīng)典的MOSFET SPICE模型結(jié)構(gòu)見圖2。該MOSFET行為模型[1]描述了功率開關(guān)的電氣特性和熱特性。

圖 2：英飛凌 MOSFET SPICE 模型的原理圖

該模型反應(yīng)出，流經(jīng)MOSFET的電流會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體的溫度發(fā)生變化，進(jìn)而影響MOSFET的電氣參數(shù)，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(jié)（Tj），然后，熱量通過MOSFET封裝一直傳導(dǎo)到外殼（Tc）。接著，將熱動(dòng)力學(xué)建模為，由集總熱阻（Rthi）和熱電容（Cthi）組成的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)。然后，通過對(duì)熱模型進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如，負(fù)載電流、最大允許結(jié)溫（Tj）、環(huán)境溫度（Tamb） 和PCB的層厚/層數(shù)（Rth PCB和Cth PCB），確定最佳冷卻/散熱器。

將子電路導(dǎo)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(jī)械、磁和熱）。隨附的Simscape語言使用微分方程、相關(guān)代數(shù)約束、事件和模式圖，來表達(dá)基礎(chǔ)物理特性。

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

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

SPICE的模型導(dǎo)入能力，可用于將英飛凌IAUT300N08S5N012 [2][4]器件（見圖3）導(dǎo)入到Simscape中。導(dǎo)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(quán)限，我們對(duì)Simscape代碼進(jìn)行了少許編輯。進(jìn)行流程初始化時(shí)，需要提供自定義的內(nèi)部狀態(tài)訪問權(quán)限。

仿真工作流程

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

圖 4：降壓轉(zhuǎn)換器的精細(xì)模型

控制器是通過Simulink離散時(shí)間庫模塊實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)模型使用可變步長(zhǎng)求解器進(jìn)行仿真，以便能夠準(zhǔn)確地捕獲與寄生效應(yīng)和MOSFET電荷模型有關(guān)的較快時(shí)間常數(shù)。在Intel? Core? i7-9700 CPU @ 3.00GHz上運(yùn)行R2021b 版本的MATLAB，一個(gè)控制器PWM周期的仿真時(shí)間為2.3秒。這個(gè)速度足以分析當(dāng)前工作狀態(tài)下的電路性能，但無法評(píng)估電路敏感性，以用于設(shè)計(jì)參數(shù)掃描或直接優(yōu)化電路參數(shù)。但這個(gè)速度無法仿真到周期穩(wěn)態(tài)——在10秒左右熱時(shí)間常數(shù)下，相當(dāng)于20萬個(gè) 20kHz PWM周期。

為了滿足有效探索設(shè)計(jì)空間需求，我們創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)降壓轉(zhuǎn)換器模型。為此，導(dǎo)入的MOSFET器件模型被替換為理想開關(guān)，將數(shù)據(jù)手冊(cè)Rds(on)值設(shè)定為其固定的導(dǎo)通電阻。參見圖5。忽略了某些較快的寄生效應(yīng)，例如，MOSFET的引線電感。該系統(tǒng)級(jí)模型具有固定的溫度，用戶為假定的結(jié)溫設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)腞ds(on)值即可。該模型仿真一個(gè)PWM周期需要大約0.05秒，比精細(xì)模型要快46倍。由于沒有熱時(shí)間常數(shù)，現(xiàn)在，最慢的動(dòng)態(tài)與電壓調(diào)節(jié)有關(guān)，約為5 ms或100個(gè)PWM周期。因此，仿真到穩(wěn)態(tài)大約需要5秒。

圖 5：降壓功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級(jí)模型

憑借這種仿真性能，這個(gè)系統(tǒng)級(jí)模型可以用來徹底地探索設(shè)計(jì)空間和優(yōu)化控制器。做好主要的設(shè)計(jì)決策后，最后一步就是，使用英飛凌開發(fā)的MOSFET精細(xì)仿真模型對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。該驗(yàn)證通常在由負(fù)載功率和環(huán)境溫度定義的一組工作點(diǎn)上進(jìn)行。不過，我們已經(jīng)看到，將精細(xì)模型仿真到穩(wěn)態(tài)，需要20萬個(gè)PWM周期，如果每個(gè)周期需要2.3秒來仿真的話，這是不切實(shí)際的。

為了在特定的操作點(diǎn)，初始化該精細(xì)模型，我們提出了一種涉及多個(gè)模型的迭代方法。總體而言，這個(gè)理念就是將較慢的時(shí)間常數(shù)分離出來，作為運(yùn)行速度較快的獨(dú)立模型。在做進(jìn)一步的解釋之前，還需要使用一個(gè)模型，這個(gè)模型只對(duì)MOSFET和環(huán)境熱狀態(tài)進(jìn)行建模。見圖6。

圖 6：兩個(gè) MOSFET 的“純”熱模型

為了構(gòu)建這個(gè)“純”熱模型，我們先對(duì)已導(dǎo)入的英飛凌SPICE子電路進(jìn)行編輯，只留下Cauer網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)Cauer網(wǎng)絡(luò)的輸入是兩個(gè)恒定熱流源Q1和Q2，代表每個(gè)PWM周期的平均結(jié)熱流。這個(gè)“純”熱模型可以運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)，或使用Simscape，從穩(wěn)態(tài)選項(xiàng)啟動(dòng)。不論哪種方式，與其他方式相比，它們求解Cauer網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫度的時(shí)間都是可以忽略不計(jì)的。

現(xiàn)在，我們使用這三個(gè)模型來初始化周期穩(wěn)態(tài)下的精細(xì)模型，如下所示：

1. 運(yùn)行系統(tǒng)級(jí)模型（圖4）到周期穩(wěn)態(tài)。對(duì)最后一個(gè)完整的PWM周期的MOSFET損耗取平均值，以估算Q1和Q2結(jié)損耗。

2. 運(yùn)行“純”熱模型（見圖6）到熱穩(wěn)態(tài)，并記錄兩個(gè)Cauer模型節(jié)點(diǎn)的最終溫度。

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

4. 讓精細(xì)模型運(yùn)行4個(gè)完整的PWM周期。對(duì)最后一個(gè)完整的PWM周期的MOSFET損耗取平均值，然后得出Q1和Q2結(jié)損耗的修正估計(jì)值。

5. 重復(fù)步驟2，修正熱節(jié)點(diǎn)溫度。

6. 重復(fù)步驟4，修正初始狀態(tài)和結(jié)損耗估值。

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

圖 7：功率開關(guān)的損耗和機(jī)系統(tǒng)的效率

圖7顯示了為2.85kW負(fù)載供電時(shí)的瞬時(shí)開關(guān)損耗和轉(zhuǎn)換器的總效率。該效率級(jí)別是低邊的，設(shè)計(jì)員的下一步可能是為高邊和低邊開關(guān)并聯(lián)兩個(gè)或三個(gè)MOSFET。需要注意的是，鑒于使用了經(jīng)過驗(yàn)證的代工廠SPICE MOSFET模型來生成這些結(jié)果，而且這些結(jié)果是針對(duì)實(shí)際電路的，因此，其結(jié)果具有很高的精度。與偶爾使用的、基于代表性測(cè)試電路的導(dǎo)通和開關(guān)損耗數(shù)據(jù)表的替代方案相比，這具有更高的精度。

整個(gè)過程總結(jié)下來如圖8所示。該過程以MATLAB腳本的形式實(shí)現(xiàn)，可在MathWorks File Exchange [3]下載。該腳本需要花費(fèi)4分鐘，來運(yùn)行和產(chǎn)生如圖7所示的結(jié)果。而從非初始化狀態(tài)運(yùn)行非線性模型，以獲得相同的結(jié)果，需要一天的時(shí)間。

圖 8：開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器仿真流程建議

結(jié)論

本文介紹了如何在應(yīng)用電路模型中，使用代工廠精細(xì)的SPICE半導(dǎo)體模型，對(duì)預(yù)期的電路性能，做出高精度預(yù)測(cè)。使用了一種雙管齊下的方法，解決了時(shí)間常數(shù)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(dǎo)入Simulink，并使用可變步長(zhǎng)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(gè)精度水平的模型，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的迭代方案，來找到穩(wěn)態(tài)。其結(jié)果是端到端設(shè)計(jì)和仿真速度要比單獨(dú)使用SPICE仿真引擎要快。

參考文獻(xiàn)

[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