在設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以使用仿真模型來(lái)幫助權(quán)衡多個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單的基于開關(guān)的有源器件模型用于快速仿真，從而獲得更多工程洞察力。但是，簡(jiǎn)單的設(shè)備模型不會(huì)像詳細(xì)的制造商設(shè)備模型那樣在設(shè)計(jì)中調(diào)用相同的置信度。

本文著眼于電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員如何結(jié)合使用系統(tǒng)級(jí)和詳細(xì)模型來(lái)探索設(shè)計(jì)空間并獲得對(duì)結(jié)果的高度信心。將使用 MathWorks 系統(tǒng)級(jí)建模工具 Simulink? 和 Simscape? 展示此過(guò)程的一個(gè)示例，其中包含代表英飛凌汽車 MOSFET 的詳細(xì) SPICE 子電路。

設(shè)計(jì)問(wèn)題

在電力轉(zhuǎn)換器的開發(fā)過(guò)程中，數(shù)值模擬通常用于概念和可行性研究。仿真模型需要包括模擬電路和相應(yīng)的數(shù)字控制器。模型可以幫助回答的設(shè)計(jì)問(wèn)題示例包括：

應(yīng)該使用哪種拓?fù)洌?/p>

對(duì)于給定的拓?fù)洌梢詫?shí)現(xiàn)什么性能？

應(yīng)該使用什么 PWM 開關(guān)頻率？

無(wú)源元件需要什么值和額定值？

應(yīng)該使用什么樣的電源開關(guān)？

類型（如 MOSFET 或 IGBT 或 BJT）？

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

對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器電路有哪些要求，包括所需的最短死區(qū)時(shí)間？

最后，根據(jù)之前的評(píng)估：

可以估計(jì)系統(tǒng)效率和組件損耗，然后可以開發(fā)合適的冷卻系統(tǒng)

可以研究系統(tǒng)效率與 EM 兼容性的權(quán)衡。開關(guān)損耗和 EMI 都取決于開關(guān)頻率和電源開關(guān)壓擺率。

SPICE 仿真工具是電路設(shè)計(jì)人員的首選解決方案。然而，所描述的設(shè)計(jì)步驟取決于能否在合理的時(shí)間內(nèi)模擬電源轉(zhuǎn)換器。Simscape? Electrical? 等電路仿真工具具有簡(jiǎn)單的器件模型，這些模型本質(zhì)上是理想的開關(guān)，加上表格開關(guān)損耗，可以滿足這種高效的仿真需求。此外，與 Simulink? 的緊密集成意味著數(shù)字控制器也包含在仿真中，無(wú)需協(xié)同仿真。然而，理想的開關(guān)假設(shè)為后面的設(shè)計(jì)步驟帶來(lái)了一些不確定性，這些步驟專注于確定效率和微調(diào)設(shè)計(jì)。這種不確定性可以通過(guò)使用組件制造商開發(fā)的詳細(xì) SPICE 設(shè)備模型來(lái)解決。在本文中，定義了一個(gè)流程，可以快速探索設(shè)計(jì)空間，同時(shí)還可以利用詳細(xì)的代工廠 SPICE 組件模型。該過(guò)程的核心是利用具有不同保真度的多個(gè)模型，將模型與要回答的特定設(shè)計(jì)問(wèn)題相匹配。同樣重要的是使用低保真度來(lái)預(yù)初始化詳細(xì)的仿真模型，從而減少初始化時(shí)間。

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)示例

本文以圖 1 所示的 48V/12V DC/DC 降壓降壓轉(zhuǎn)換器為例。降壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓 （V_IN） 降壓至較低電平的輸出電壓 （V_OUT），表征其行為的主要方程由下式給出：

等式 1

d=V_OUTV_IN\右箭頭V_OUT=d?V_INd=V_OUTV_IN\右箭頭V_OUT=d?V_IN其中 d 表示高端電源開關(guān) （HS_SW） 的占空比。低側(cè)電源開關(guān) （LS_SW） 的占空比由 d‘ 給出，定義如下：

等式 2

d’ = 1 - d

圖 1. 降壓（降壓）DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

根據(jù)參考電壓 （V_ref） 和測(cè)量的輸出電壓 （V_meas），離散時(shí)間比例加積分電壓控制器計(jì)算所需的占空比 （d）。

英飛凌 SPICE MOSFET 模型

SPICE（具有集成電路重點(diǎn)的仿真程序）仿真器是最常用的模擬電路仿真技術(shù)。因此，作為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，許多半導(dǎo)體制造商開發(fā)其產(chǎn)品的 SPICE 模型以支持電路設(shè)計(jì)。

英飛凌符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 OptiMOS? 功率 MOSFET 產(chǎn)品組合提供 20 V-300 V 范圍內(nèi)的基準(zhǔn)質(zhì)量、多樣化的封裝和低至 0.55 mΩ的 R ds（on） 。英飛凌的 MOSFET SPICE 模型的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。這種行為 MOSFET 模型 ［1］ 描述了功率開關(guān)的電氣和熱特性。

圖 2. 英飛凌 SPICE MOSFET 模型結(jié)構(gòu)示意圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

該模型反映了流過(guò) MOSFET 的電流會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體溫度的變化，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，熱行為以下列方式建模：代表 MOSFET 耗散功率的電流源 （P v ） 將熱量注入 PN 結(jié) （T j ），然后熱量一直傳播到 MOSFET 封裝案例（T c）。熱動(dòng)力學(xué)被建模為由集總熱阻 （R thi ） 和熱電容 （C thi ） 組成的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)）。通過(guò)熱模型的模擬仿真，可以確定給定設(shè)計(jì)參數(shù)（如負(fù)載電流、最大允許結(jié)溫 （T j ）、環(huán)境溫度（ T amb ） 和 PCB 層的厚度/數(shù)量（R th PCB和 C th PCB）。

將子電路導(dǎo)入 Simscape

MathWorks 的 Simscape ［5］ 提供了一個(gè)框圖環(huán)境來(lái)模擬多域系統(tǒng)，包括電氣、機(jī)械、磁和熱方面。隨附的 Simscape 語(yǔ)言使用微分方程、相關(guān)代數(shù)約束、事件和模式圖來(lái)表達(dá)基礎(chǔ)物理。

圖 3. TOLL （PG-HSOF-8） 中英飛凌的汽車 MOSFET IAUT300N08S5N012。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

Simscape Electrical? ［6］ 能夠?qū)⒁唤M目標(biāo) SPICE 設(shè)備模型（例如 MOSFET）導(dǎo)入等效的 Simscape 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) ［7］。Simscape 與 Simulink 的緊密集成使得能夠使用單個(gè)求解器對(duì)數(shù)字控制器和模擬電子設(shè)備進(jìn)行仿真，從而實(shí)現(xiàn)比不同仿真工具之間的協(xié)同仿真更高效的仿真。

SPICE 模型導(dǎo)入功能用于將 Infineon IAUT300N08S5N012 ［2］［4］ 設(shè)備（如圖 3 所示）導(dǎo)入 Simscape。導(dǎo)入 Simscape 后，對(duì) Simscape 代碼進(jìn)行了一些小的編輯，以提供從已發(fā)布模塊訪問(wèn) Cauer 模型狀態(tài)的權(quán)限。初始化過(guò)程需要提供對(duì)內(nèi)部狀態(tài)的自定義訪問(wèn)。

模擬工作流程

將英飛凌設(shè)備導(dǎo)入 Simscape 后，下一步是創(chuàng)建完整轉(zhuǎn)換器的 Simulink 模型，包括導(dǎo)入的英飛凌設(shè)備、剩余的模擬組件和控制器。如圖 4 所示。

控制器使用 Simulink 離散時(shí)間庫(kù)模塊實(shí)現(xiàn)，完整模型使用可變步長(zhǎng)求解器進(jìn)行仿真，以便準(zhǔn)確捕獲與寄生效應(yīng)和 MOSFET 電荷模型相關(guān)的更快時(shí)間常數(shù)。在運(yùn)行 MATLAB 版本 R2021b 的 Intel? Core? i7-9700 CPU @ 3.00GHz 上，一個(gè)控制器 PWM 周期的仿真時(shí)間為 2.3 秒。這足以快速分析當(dāng)前工作狀態(tài)下的電路性能，但不能評(píng)估電路對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)掃描的敏感性或直接優(yōu)化電路參數(shù)。此外，模擬周期性穩(wěn)態(tài)還不夠快，給定大約 10 秒的熱時(shí)間常數(shù)，相當(dāng)于 200，000 個(gè) 20kHz PWM 周期。

圖 4. 降壓轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)模型。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

為了滿足有效探索設(shè)計(jì)空間的需求，創(chuàng)建了降壓轉(zhuǎn)換器模型的系統(tǒng)級(jí)版本。為此，導(dǎo)入的 MOSFET 器件模型被替換為具有固定導(dǎo)通電阻設(shè)置為數(shù)據(jù)表 R ds（on）值的理想開關(guān)。這如圖 5 所示。一些較快的寄生效應(yīng)也被省略，例如 MOSFET 引線電感。此系統(tǒng)級(jí)模型為固定溫度，用戶設(shè)置適當(dāng)?shù)?R ds（on）假定結(jié)溫的值。該模型需要大約 0.05 秒來(lái)模擬一個(gè) PWM 周期，比詳細(xì)模型快 46 倍。由于沒(méi)有熱時(shí)間常數(shù)，最慢的動(dòng)態(tài)現(xiàn)在與電壓調(diào)節(jié)相關(guān)聯(lián)，約為 5ms 或 100 個(gè) PWM 周期。模擬到穩(wěn)態(tài)大約需要 5 秒。

憑借這種仿真性能，系統(tǒng)級(jí)模型可用于徹底探索設(shè)計(jì)空間并優(yōu)化控制器。做出主要設(shè)計(jì)決策后，最后一步是使用使用英飛凌 MOSFET 模型的詳細(xì)仿真模型來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)。此驗(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)報(bào)告。但是，我們已經(jīng)看到，將詳細(xì)模型模擬到穩(wěn)態(tài)需要 200，000 個(gè) PWM 周期，如果每個(gè)周期需要 2.3 秒來(lái)模擬，這是不切實(shí)際的。

圖 5. 降壓電源轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級(jí) Simulink 模型。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

為了在指定的操作點(diǎn)初始化詳細(xì)模型，提出了一種涉及多個(gè)模型的迭代方法?？偟膩?lái)說(shuō)，這個(gè)想法是將較慢的時(shí)間常數(shù)分離成運(yùn)行速度更快的單獨(dú)模型。在更詳細(xì)地解釋之前，還需要一個(gè)模型，它只對(duì) MOSFET 和環(huán)境熱狀態(tài)進(jìn)行建模。如圖 6 所示。

為了構(gòu)建純熱模型，對(duì)導(dǎo)入的 Infineon 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，它們代表每個(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)，或者使用 Simscape 從穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)選項(xiàng)。無(wú)論哪種方式，與其他任何事情相比，解決 Cauer 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫度的時(shí)間都可以忽略不計(jì)。

圖 6. 兩個(gè) MOSFET 的 Simulink 僅熱模型。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

現(xiàn)在使用這三個(gè)模型來(lái)初始化周期性穩(wěn)態(tài)的詳細(xì)模型，如下所示：

將系統(tǒng)級(jí)模型（圖 4）運(yùn)行到周期性穩(wěn)態(tài)。平均上一個(gè)完整 PWM 周期的 MOSFET 損耗，以估算結(jié)損耗 Q1 和 Q2。

將僅熱模型（圖 6）運(yùn)行到熱穩(wěn)態(tài)并記錄兩個(gè) Cauer 模型節(jié)點(diǎn)的最終溫度。

將詳細(xì)模型（圖 5）的熱狀態(tài)設(shè)置為上述步驟 2 中的值，并將其余模型狀態(tài)設(shè)置為上述步驟 1 中確定的值。

將詳細(xì)模型運(yùn)行四個(gè)完整的 PWM 周期。在最后一個(gè)完整的 PWM 周期內(nèi)平均 MOSFET 損耗，以給出結(jié)損耗 Q1 和 Q2 的修正估計(jì)值。

重復(fù)步驟 2 以修改熱節(jié)點(diǎn)溫度。

重復(fù)步驟 4 以修改初始狀態(tài)和結(jié)點(diǎn)損耗估計(jì)。

如果需要，可以重復(fù)第 5 步和第 6 步，但對(duì)于此示例，這不是必需的。該模型現(xiàn)在足夠接近周期性穩(wěn)態(tài)，現(xiàn)在可以評(píng)估電路性能。

圖 7 顯示了為 2.85kW 負(fù)載供電時(shí)的瞬時(shí)開關(guān)損耗以及整體轉(zhuǎn)換器效率。這種效率水平偏低，設(shè)計(jì)人員的下一步可能是為高側(cè)和低側(cè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)并聯(lián)的 MOSFET。需要注意的重要一點(diǎn)是，鑒于使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的代工廠 SPICE MOSFET 模型來(lái)生成它們并且結(jié)果是針對(duì)實(shí)際電路的，因此可以對(duì)這個(gè)結(jié)果有很高的信心。與基于代表性測(cè)試電路的通態(tài)和開關(guān)損耗數(shù)據(jù)表圖的有時(shí)使用的替代方案相比，這提供了更高的置信度。

圖 7. 電源開關(guān)的損耗和整個(gè)系統(tǒng)的效率。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 8. 建議的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器仿真流程。

整個(gè)過(guò)程的總結(jié)如圖 8 所示。該過(guò)程以 MATLAB? 腳本的形式實(shí)現(xiàn)，可以從 MathWorks File Exchange ［3］ 下載。該腳本需要四分鐘來(lái)運(yùn)行并產(chǎn)生圖 7 中的結(jié)果。為了比較，確定從非初始化狀態(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。

結(jié)論

已經(jīng)展示了如何在應(yīng)用電路模型中使用詳細(xì)的 SPICE 代工廠半導(dǎo)體模型來(lái)對(duì)預(yù)期的電路性能做出高可信度的預(yù)測(cè)。初始化具有廣泛變化的時(shí)間常數(shù)和周期性穩(wěn)態(tài)的模型的挑戰(zhàn)已通過(guò)雙管齊下的方法得到解決。首先，通過(guò)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(lái)避免緩慢的協(xié)同仿真。其次，通過(guò)使用具有不同保真度級(jí)別的多個(gè)模型和簡(jiǎn)單的迭代方案來(lái)找到穩(wěn)態(tài)。最終結(jié)果是端到端的設(shè)計(jì)和仿真能力比單獨(dú)使用 SPICE 仿真引擎更快。