采用高可信度的MOSFET模型进行基于模型的功率转换器设计

正在设想罪率转换器时，可以运用仿实模型正在多个设想维度之间停行衡量。运用有源器件的简易开关模型可以停行快捷仿实，带来更多的工程洞见。然而，取制造商精密的器件模型相比，那种简易的器件模型无奈正在设想中供给取之相匹敌的可信度。原文会商了罪率转换器设想人员该如何联结运用系统级模型和精密模型，摸索设想空间，并带来高可信度结因。原文运用MathWorks的系统级建模工具Simulink® 和 Simscape™，以及精密的英飞凌车规级MOSFET SPICE子电路），对该历程停行示范性展示。

弁言
正在开发罪率转换器时，但凡会正在真践和可止性钻研期间，停行数字仿实。其仿实模型须要包孕模拟电路和相应的数字控制器。通过该模型，可以解答如下设想问题（示例）：

应付特定拓扑构造，可以真现什么机能？

应当运用什么类型的罪率开关:

类型（譬喻，MOSFET、IGBT或BJT）？

技术和额定电压（譬喻，英飞凌的OptiMOS™或CoolMOS™）和资料（譬喻，Si、SiC或GaN）？

最后，基于上述评价：

可以评价系统效率和器件损耗，随后即可开发出一个适宜的冷却系统；

可钻研系统效率取EM兼容性的衡量。开关损耗和EMI都与决于开关频次和罪率开关斜率。

SPICE仿实工具是电路设想人员的首选处置惩罚惩罚方案。然而，相关设想轨范与决于是否正在折法的光阳内，仿实罪率转换器。诸如Simscape™ Electrical™等电路仿实工具，就具有抱负的器件模型，加上开关损耗数据，可以满足有效仿实需求。另外，取Simulink®的严密联结，意味着数字控制器也海涵正在此仿实内，无需协同仿实。然而，开关的抱负如因会给后续以确定效率和微调设想为重点的设想轨范，带来某些不确定性。而通过运用由器件制造商开发的、精密的SPICE器件模型，可以应对那种不确定性。原定亲义了一个流程，可以正在快捷摸索设想空间的同时，操做精密的工厂SPICE器件模型。原流程的焦点正在于，操做具有多个差异可信度水平的模型，以婚配详细设想问题有待处置惩罚惩罚的模型。此外重要的一点正在于，操做低可信度水平，预初始化精密仿实模型，那样可以缩短初始化光阳。

降压转换器设想示范
图1显示的是原文做为示例运用的48V/12V DC/DC降压转换器。降压转换器将输入电压（V_IN）降至低的输出电压（V_OUT），用于表征其止为的次要等式见下：

式中：d默示高边电源开关（HS_SW）的占空比；低边电源开关（LS_SW）的占空比为d’，其界说如下： 

图1：降压DC/DC罪率转换器的构造

基于参考电压（V_ref）和测得的输出电压（V_meas），运用离散光阳比例+积分电压控制器计较所需的占空比（d）。

英飞凌SPICE MOSFET模型
SPICE仿实器是最罕用的模拟电路仿实技术，果此，做为事真上的止业范例，不少数导体制造商都为原人的产品开发了SPICE模型，以便为电路设想供给撑持。
英飞凌的车规级OptiMOS™罪率MOSFET产品组折，成立了20V-300V领域内的量质标杆，供给了多种封拆和低至0.55 mΩ的Rds(on)。英飞凌规范的MOSFET SPICE模型构造见图2。该MOSFET模型[1]形容了罪率开关的电气特性和热特性。

图2：英飞凌MOSFET SPICE模型的本理图

该模型反馈流经MOSFET的电流招致半导体的温度厘革，进而影响MOSFET的电气参数，譬喻，电荷载流子迁移率、电压阈值、漏极电阻、栅漏电容和栅源电容。参考图 2，热止为依照以下方式建模：代表MOSFET耗散罪率的电流源（Pv）将热质注入PN结（Tj），而后，热质通过MOSFET封拆接续传送到外壳（Tc）。接着，将热动力学建模为，由集总热阻（Rthi）和热电容（Cthi）构成的 Cauer 网络。而后，通过对热模型停行模拟仿实，依据给定的设想参数（譬喻，负载电流、最大允许结温（Tj）、环境温度（Tamb） 和PCB的层厚/层数（Rth PCB和Cth PCB），确定最佳冷却/散热器。

将子电路导入Simscape
MathWorks的Simscape [5] 供给了框图环境，来模拟多域系统（蕴含电气、机器、磁和热）。随附的Simscape语言运用微分方程、相关代数约束、变乱和形式图，来表达根原物理特性。

图3：英飞凌给取TOLL封拆（PG-HSOF-8）的车规级MOSFET IAUT300N08S5N012

Simscape™ Electrical [6]可以将目的SPICE器件模型（譬喻，MOSFET）导入Simscape中[7]。Simscape取Simulink的密切集成，使得单一求解器可以对数字控制器和模拟电子方法停行仿实，取正在差异的仿实工具之间停行协同仿原相比，那种仿实愈加高效。

SPICE的模型导入才华，可用于将英飞凌IAUT300N08S5N012 [2][4]器件（见图3）导入到Simscape中。导入到Simscape后，为了供给从已发布模块中会见Cauer模型形态的权限，咱们对Simscape代码停行了少许编辑。停行流程初始化时，须要供给自界说的内部形态会见权限。

仿实工做流程
将英飞凌器件导入Simscape后，下一步是创立完好的转换器Simulink模型，此中蕴含已导入的英飞凌器件、剩余模拟器件和控制器。如图4所示。

图4：降压转换器的精密模型

控制器是通过Simulink离散光阳库模块真现的，整个模型运用可变步长求解器停行仿实，以便能够精确地捕获取寄生效应和MOSFET电荷模型有关的较快光阳常数。正在运止R2021b MATLAB的Intel® Core™ i7-9700 CPU @ 3.00GHz上，一个控制器PWM周期的仿实光阳为2.3秒。那个速度足以阐明当前工做形态下的电路机能，但无奈评价电路敏感性，以用于设想参数扫描或间接劣化电路参数。而且那个速度无奈仿实到周期稳态——即10秒摆布热光阳常数，相当于20万个 20kHz PWM周期。

为了满足有效摸索设想空间的需求，咱们创立了一个系统级降压转换器模型。为此，导入的MOSFET器件模型被交换为抱负开关，其牢固的导通电阻依据数据手册Rds(on)值设定。拜谒图5。还疏忽了某些较快的寄生效应，譬喻，MOSFET的引线电感。该系统级模型具有牢固的温度，用户为假定的结温设定一个适当的Rds(on)值便可。该模型仿实一个PWM周期，须要约莫0.05秒，比精密模型要快46倍。由于没有热光阳常数，如今，最慢的动态取电压调理有关，约为5 ms或100个PWM周期。果此，仿实到稳态约莫须要5秒。

图 5：降压罪率转换器的系统级模型

仰仗那种仿实机能，那个系统级模型可以用来完全地摸索设想空间和劣化控制器。作好次要的设想决策后，最后一步便是，运用精密仿实模型（运用英飞凌MOSFET模型），来对设想停行验证。该验证但凡正在由负载罪率和环境温度界说的一组工做点上停行。不过，咱们曾经看到，将精密模型仿实到稳态，须要20万个PWM周期，假如每个周期须要2.3秒来仿实的话，那是不着真际的。

为了正在特定的收配点，初始化该精密模型，咱们提出了一种波及多个模型的迭代办法。总体而言，那个理念便是将较慢的光阳常数分袂为运止速度较快的独立模型。正在作进一步的评释之前，还须要运用一个模型，那个模型只对MOSFET和环境热形态停行建模。见图6。

图 6：两个 MOSFET 的“杂”热模型

为了构建那个“杂”热模型，咱们先对已导入的英飞凌SPICE子电路停行编辑，只留下Cauer网络。两个Cauer网络的输入是两个恒定热流源Q1和Q2，代表每个PWM周期的均匀结热流。那个“杂”热模型可以运止到稳态，或运用Simscape，从稳态选项启动。不管哪种方式，取其余方式相比，它们求解Cauer网络节点温度的光阳都是可以疏忽不计的。

如今，咱们运用那三个模型来初始化周期稳态下的精密模型，如下所示：

1.运止系统级模型（图4）到周期稳态。对上一个完好的PWM周期的MOSFET损耗与均匀值，以预算结损耗（Q1和Q2）。

2.运止“杂”热模型（见图6）到热稳态，并记录两个Cauer模型节点的最末温度。

3.将精密模型（见图5）的热形态设为上述轨范2中的值，而后，将别的模型形态设为上述轨范1中确定的值。

4.让精密模型运止4个完好的PWM周期。对最后一个完好的PWM周期的MOSFET损耗与均匀值，而后得出结损耗（Q1和Q2）的修正预计值。

5.重复轨范2，修正热节点温度。

6.重复轨范4，修正初始形态和结损耗估值。

如有须要，可重复轨范5和6，但应付原例而言，是没必要要的。该模型如今曾经足够濒临周期稳态，可以用来评价电路机能。

图 7：电源开关的损耗和整个系统的效率

图7显示了为2.85kW负载供电时的瞬时开关损耗和转换器的总效率。该效率级别是低边的，设想人员的下一步可能是为高边和低边开关并联两个或三个MOSFET。须要留心的是，鉴于运用了颠终验证的工厂SPICE MOSFET模型来生成那些结因，而且那些结因是针对真际电路的，果此，其结因具有很高的可信度。取偶尔运用的、基于代表性测试电路的导通和开关损耗数据表图的代替方案相比，那带来了更高的可信度。

整个历程总结下来如图8所示。该历程以MATLAB脚原的模式真现，可正在MathWorks File Exchange [3]下载。该脚原须要破费4分钟，来运止和孕育发作如图7所示的结因。而从非初始化形态运止非线性模型，以与得雷同的结因，须要一天的光阳。

图 8：开关罪率转换器的倡议仿实流程

结论
原文引见了如安正在使用电路模型中，运用精密的工厂SPICE半导体模型，对预期的电路机能，作出高可信度预测。运用了一种并止不悖的办法，处置惩罚惩罚了光阳常数悬殊并有周期稳态的模型的初始化难题。首先，通过将SPICE子电路导入Simulink，并运用可变步长求解器，求解完好的模拟系统和控制器，来防行迟缓的协同仿实。其次，运用多个具有差异可信度水平的模型，通过一个简略的迭代方案，来找到稳态。其结因是端到端设想和仿实速度要比径自运用SPICE仿实引擎要快。

参考文献
[1]März, M., Nance, P., “Thermal Modeling of Power-electronic Systems,” February 2000. Available online at +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 
?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