【導讀】在(zai)設(she)計(ji)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)時(shi)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)仿(fang)真(zhen)模(mo)型(xing)，綜(zong)合(he)權(quan)衡(heng)多(duo)個(ge)設(she)計(ji)標(biao)準(zhun)。其(qi)中(zhong)，使(shi)用(yong)基(ji)於(yu)開(kai)關(guan)的(de)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)簡(jian)易(yi)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)仿(fang)真(zhen)
，可(ke)以(yi)帶(dai)來(lai)更(geng)多(duo)工(gong)程(cheng)參(can)考(kao)。然(ran)而(er)，與(yu)製(zhi)造(zao)商(shang)精(jing)細(xi)的(de)器(qi)件(jian)模(mo)型(xing)相(xiang)比(bi)，這(zhe)種(zhong)簡(jian)易(yi)模(mo)型(xing)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)相(xiang)等(deng)的(de)精(jing)度(du)。本(ben)文(wen)探(tan)討(tao)了(le)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)員(yuan)如(ru)何(he)結(jie)合(he)係(xi)統(tong)級(ji)模(mo)型(xing)和(he)精(jing)細(xi)模(mo)型(xing)
，探(tan)索(suo)更(geng)多(duo)設(she)計(ji)空(kong)間(jian)，並(bing)提(ti)高(gao)精(jing)度(du)。本(ben)文(wen)使(shi)用(yong)MathWorks係統級建模工具Simulink® 和 Simscape™

，以及精細的SPICE子電路（代表英飛淩車規級MOSFET），對該過程進行示範展示。

引言

在(zai)開(kai)發(fa)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)時(shi)，在(zai)理(li)論(lun)和(he)可(ke)行(xing)性(xing)研(yan)究(jiu)期(qi)間(jian)，通(tong)常(chang)進(jin)行(xing)數(shu)值(zhi)仿(fang)真(zhen)。其(qi)仿(fang)真(zhen)模(mo)型(xing)需(xu)要(yao)包(bao)含(han)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)和(he)相(xiang)應(ying)的(de)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)。通(tong)過(guo)該(gai)模(mo)型(xing)
，可(ke)以(yi)解(jie)答(da)下(xia)列(lie)設(she)計(ji)問(wen)題(ti)：

-應該使用哪種拓撲結構
？

-對於特定拓撲結構
，可以實現什麼性能

？

-應該使用什麼PWM開關頻率？

-對於無源組件，需要使用什麼數值和額定值
？

-應該使用什麼類型的功率開關:

類型（例如，MOSFET、IGBT或BJT）
？

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

-對柵極驅動器電路有何要求（包括所需最小死區時間）？

最後，基於之前的評估：

-可以評估係統效率和組件損耗，進而開發出一個合適的冷卻係統；

-可研究如何權衡係統效率與電磁兼容性。開關損耗和EMI都取決於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，相關設計步驟取決於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(de)緊(jin)密(mi)集(ji)成(cheng)

，意(yi)味(wei)著(zhe)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)也(ye)在(zai)此(ci)仿(fang)真(zhen)範(fan)圍(wei)內(nei)
，而(er)無(wu)需(xu)協(xie)同(tong)仿(fang)真(zhen)。然(ran)而(er)

，假(jia)設(she)的(de)理(li)想(xiang)開(kai)關(guan)會(hui)給(gei)後(hou)續(xu)以(yi)確(que)定(ding)效(xiao)率(lv)和(he)微(wei)調(tiao)設(she)計(ji)為(wei)重(zhong)點(dian)的(de)設(she)計(ji)步(bu)驟(zhou)帶(dai)來(lai)不(bu)確(que)定(ding)性(xing)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)組(zu)件(jian)製(zhi)造(zao)商(shang)開(kai)發(fa)的(de)精(jing)細(xi)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(zu)件(jian)模(mo)型(xing)。本(ben)流(liu)程(cheng)的(de)核(he)心(xin)在(zai)於(yu)

，利(li)用(yong)多(duo)個(ge)不(bu)同(tong)精(jing)度(du)的(de)模(mo)型(xing)匹(pi)配(pei)有(you)待(dai)解(jie)決(jue)的(de)具(ju)體(ti)設(she)計(ji)問(wen)題(ti)。另(ling)外(wai)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)點(dian)在(zai)於(yu)，利(li)用(yong)低(di)精(jing)度(du)水(shui)平(ping)預(yu)初(chu)始(shi)化(hua)精(jing)細(xi)仿(fang)真(zhen)模(mo)型(xing)
，以(yi)縮(suo)短(duan)初(chu)始(shi)化(hua)時(shi)間(jian)。

降壓轉換器設計示範

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），用於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（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：

圖 1：降壓 DC/DC 功率轉換器的結構

基於參考電壓（V_ref）和測得的輸出電壓（V_meas）

，使用離散時間比例+積分電壓控製器計算所需的占空比（d）。

英飛淩SPICE MOSFET模型

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

英飛淩的車規級OptiMOS™功率MOSFET產品組合，樹立了20V-300V範圍內的質量標杆，提供了多種封裝和低至0.55 mΩ的Rds(on)。英飛淩經典的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。

圖 2：英飛淩 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），然後，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。然後
，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] 提供了框圖環境，來模擬多域係統（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。

圖 3：英飛淩采用 TOLL 封裝（PG-HSOF-8）的車規級 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(de)密(mi)切(qie)集(ji)成(cheng)，使(shi)得(de)單(dan)一(yi)求(qiu)解(jie)器(qi)可(ke)以(yi)對(dui)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)模(mo)擬(ni)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)進(jin)行(xing)仿(fang)真(zhen)，與(yu)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)仿(fang)真(zhen)工(gong)具(ju)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)協(xie)同(tong)仿(fang)真(zhen)相(xiang)比(bi)，這(zhe)種(zhong)仿(fang)真(zhen)更(geng)加(jia)高(gao)效(xiao)。

SPICE的模型導入能力，可用於將英飛淩IAUT300N08S5N012 [2][4]器件（見圖3）導入到Simscape中。導入到Simscape後
，為了提供從已發布模塊中訪問Cauer模型狀態的權限，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訪問權限。

仿真工作流程

將英飛淩器件導入Simscape後，下一步是創建完整的轉換器Simulink模型
，其中包括已導入的英飛淩器件、剩餘模擬組件和控製器。如圖4所示。

圖 4：降壓轉換器的精細模型

控製器是通過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，一個控製器PWM周期的仿真時間為2.3秒miao。這zhe個ge速su度du足zu以yi分fen析xi當dang前qian工gong作zuo狀zhuang態tai下xia的de電dian路lu性xing能neng，但dan無wu法fa評ping估gu電dian路lu敏min感gan性xing，以yi用yong於yu設she計ji參can數shu掃sao描miao或huo直zhi接jie優you化hua電dian路lu參can數shu。但dan這zhe個ge速su度du無wu法fa仿fang真zhen到dao周zhou期qi穩wen態tai——在10秒左右熱時間常數下，相當於20萬個 20kHz PWM周期。

為了滿足有效探索設計空間需求，我們創建了一個係統級降壓轉換器模型。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。該係統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。由於沒有熱時間常數，現在，最慢的動態與電壓調節有關，約為5 ms或100個PWM周期。因此，仿真到穩態大約需要5秒。

圖 5：降壓功率轉換器的係統級模型

憑ping借jie這zhe種zhong仿fang真zhen性xing能neng，這zhe個ge係xi統tong級ji模mo型xing可ke以yi用yong來lai徹che底di地di探tan索suo設she計ji空kong間jian和he優you化hua控kong製zhi器qi。做zuo好hao主zhu要yao的de設she計ji決jue策ce後hou
，最zui後hou一yi步bu就jiu是shi，使shi用yong英ying飛fei淩ling開kai發fa的deMOSFET精jing細xi仿fang真zhen模mo型xing對dui設she計ji進jin行xing驗yan證zheng。該gai驗yan證zheng通tong常chang在zai由you負fu載zai功gong率lv和he環huan境jing溫wen度du定ding義yi的de一yi組zu工gong作zuo點dian上shang進jin行xing。不bu過guo，我wo們men已yi經jing看kan到dao，將jiang精jing細xi模mo型xing仿fang真zhen到dao穩wen態tai
，需xu要yao20萬個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(wei)了(le)在(zai)特(te)定(ding)的(de)操(cao)作(zuo)點(dian)，初(chu)始(shi)化(hua)該(gai)精(jing)細(xi)模(mo)型(xing)，我(wo)們(men)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)涉(she)及(ji)多(duo)個(ge)模(mo)型(xing)的(de)迭(die)代(dai)方(fang)法(fa)。總(zong)體(ti)而(er)言(yan)，這(zhe)個(ge)理(li)念(nian)就(jiu)是(shi)將(jiang)較(jiao)慢(man)的(de)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)分(fen)離(li)出(chu)來(lai)
，作(zuo)為(wei)運(yun)行(xing)速(su)度(du)較(jiao)快(kuai)的(de)獨(du)立(li)模(mo)型(xing)。在(zai)做(zuo)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)解(jie)釋(shi)之(zhi)前(qian)，還(hai)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)模(mo)型(xing)
，這(zhe)個(ge)模(mo)型(xing)隻(zhi)對(dui)MOSFET和環境熱狀態進行建模。見圖6。

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淩SPICE子電路進行編輯，隻留下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態，或使用Simscape，從穩態選項啟動。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態下的精細模型，如下所示：

1. 運行係統級模型（圖4）到周期穩態。對最後一個完整的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）到熱穩態
，並記錄兩個Cauer模型節點的最終溫度。

3. 將精細模型（見圖5）的熱狀態設為上述步驟2中的值，然後，將其餘模型狀態設為上述步驟1中確定的值。

4. 讓精細模型運行4個完整的PWM周期。對最後一個完整的PWM周期的MOSFET損耗取平均值，然後得出Q1和Q2結損耗的修正估計值。

5. 重複步驟2，修正熱節點溫度。

6. 重複步驟4，修正初始狀態和結損耗估值。

如有需要，可重複步驟5和6，但對於本例而言，是不必要的。該模型現在已經足夠接近周期穩態，可以用來評估電路性能。

圖 7：功率開關的損耗和機係統的效率

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並聯兩個或三個MOSFET。需要注意的是
，鑒於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、基於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分鍾，來運行和產生如圖7所示的結果。而從非初始化狀態運行非線性模型，以獲得相同的結果，需要一天的時間。

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(ban)導(dao)體(ti)模(mo)型(xing)，對(dui)預(yu)期(qi)的(de)電(dian)路(lu)性(xing)能(neng)，做(zuo)出(chu)高(gao)精(jing)度(du)預(yu)測(ce)。使(shi)用(yong)了(le)一(yi)種(zhong)雙(shuang)管(guan)齊(qi)下(xia)的(de)方(fang)法(fa)，解(jie)決(jue)了(le)時(shi)間(jian)常(chang)數(shu)迥(jiong)異(yi)並(bing)有(you)周(zhou)期(qi)穩(wen)態(tai)的(de)模(mo)型(xing)的(de)初(chu)始(shi)化(hua)難(nan)題(ti)。首(shou)先(xian)
，通(tong)過(guo)將(jiang)SPICE子電路導入Simulink，bingshiyongkebianbuchangqiujieqi
，qiujiewanzhengdemonixitonghekongzhiqi，laibimianhuanmandexietongfangzhen。qici
，shiyongduogejingdushuipingdemoxing，tongguoyigejiandandediedaifangan，laizhaodaowentai。qijieguoshiduandaoduanshejihefangzhensuduyaobidandushiyongSPICE仿真引擎要快。

參考文獻

[1]März, 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：英飛淩Radovan Vuletic與MathWorks 的Rick Hyde

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