仿真微調(diào)：提高電力電子電路的精度

作者：James Victory，安森美電源方案事業(yè)群 TD 建模和仿真方案研究員

在電力電子和電路仿真領(lǐng)域，精度至關(guān)重要。仿真結(jié)果的真實(shí)性取決于各個(gè)器件所采用模型的準(zhǔn)確性。無論是 IGBT、碳化硅 (SiC) 還是硅 MOSFET，仿真預(yù)測(cè)的可靠性與模型的精度密切相關(guān)。老話說得好，“垃圾進(jìn)，垃圾出”，即如果輸入的是垃圾，那么輸出的也是垃圾。

設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)量出的器件特性（如導(dǎo)通損耗、能量損耗和熱阻等），構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)模型，大多數(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型也都是如法炮制。然而，這些基于產(chǎn)品手冊(cè)的模型是實(shí)驗(yàn)室配置和環(huán)境的產(chǎn)物，并不總能反映實(shí)際中遇到的各種條件。因此，不可想當(dāng)然地認(rèn)為這些來自產(chǎn)品手冊(cè)的模型能夠準(zhǔn)確反映電力電子設(shè)計(jì)人員所面對(duì)的各種復(fù)雜寄生環(huán)境。事實(shí)上，制造商的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與電力電子設(shè)計(jì)人員的應(yīng)用環(huán)境完全一致的概率接近于零。實(shí)驗(yàn)環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境之間的明顯差異，可能導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中的仿真結(jié)果出現(xiàn)重大誤差，誤差率往往高達(dá) 20-30% 甚至更高。要解決這個(gè)問題，就必須盡可能改進(jìn)當(dāng)前的做法。

安森美 (onsemi) 的 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 具超強(qiáng)開創(chuàng)性，用戶可以在其中輸入特定的寄生環(huán)境，創(chuàng)建定制的 PLECS 模型。打個(gè)比方，現(xiàn)成的西裝不太可能完全合身，而 SSPMG 就像為您量身定做衣服的高級(jí)裁縫，可以根據(jù)具體應(yīng)用來準(zhǔn)確定制模型。

圖 1：Elite Power 仿真工具和 PLECS 模型自助生成工具

SSPMG 方法背后的核心思路其實(shí)很簡(jiǎn)單。它關(guān)注的重點(diǎn)不是安森美在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的結(jié)果，而是您環(huán)境中的具體應(yīng)用。用戶可以根據(jù)其各自的環(huán)境對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而能夠顯著提高仿真的準(zhǔn)確性。這種對(duì)定制性和準(zhǔn)確性的重視不僅僅是一個(gè)理論概念，而是落實(shí)到了具體的解決方案上，能夠輸出切實(shí)可行的結(jié)果。業(yè)界紛紛意識(shí)到，通用模型存在明顯的局限性，而針對(duì)不同需求采用定制化仿真有著巨大潛力。

安森美 SSPMG 仿真工具還支持用戶根據(jù)電氣偏壓和溫度條件定制數(shù)據(jù)密集的參數(shù)表。目標(biāo)是確保表內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的插值準(zhǔn)確，并盡可能地減少外推需求，因?yàn)橥馔瞥３?huì)給系統(tǒng)仿真帶來誤差。

圖 2：SSPMG 的特性之一：數(shù)據(jù)密集的損耗參數(shù)表

安森美開發(fā)的 SSPMG 工具包含了代表電子產(chǎn)品不同制造條件的“邊界模型”。其中，閾值電壓、RDSon、擊穿電壓、電容等參數(shù)，會(huì)因晶圓廠內(nèi)的物理特性不同而有所差異。這會(huì)顯著影響被測(cè)器件的能量損耗、導(dǎo)通損耗和溫度行為，因而捕獲這些相關(guān)的參數(shù)差異非常重要，尤其是在系統(tǒng)層面。

為此，安森美引入了適用于硬開關(guān)和軟開關(guān)的 PLECS 模型，此外還可用于同步整流操作，并且僅針對(duì)主開關(guān)操作。PLECS 工具可以仿真各種軟開關(guān)應(yīng)用，包括 DC-DC LLC 和 CLLC 諧振、雙有源橋及相移全橋拓?fù)洹?/p>

軟開關(guān)和硬開關(guān)

在電力電子領(lǐng)域，明確區(qū)分軟開關(guān)和硬開關(guān)非常重要。對(duì)于硬開關(guān)，可借助雙脈沖測(cè)試 (DPT) 來準(zhǔn)確計(jì)算損耗。但是軟開關(guān)的性能受拓?fù)浜凸ぷ髂Ｊ接绊戄^大，所以雙脈沖測(cè)試無法準(zhǔn)確計(jì)算其具體損耗。

為了解決這個(gè)問題，SSPMG 使用新型轉(zhuǎn)換損耗測(cè)試儀來準(zhǔn)確計(jì)算一系列拓?fù)涞哪芰繐p耗，包括相移全橋、DC-DC LLC 和 CLLC 諧振拓?fù)洹＿@種專為軟開關(guān)而設(shè)計(jì)的方法提升了常被業(yè)界忽視的軟開關(guān)模型精度。如此一來，工程師能夠獲得設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確表示，從而避免不兼容仿真條件所引起的誤差。借助我們的集成功能，無論采用何種開關(guān)拓?fù)?，設(shè)計(jì)人員都能夠使用準(zhǔn)確的模型，進(jìn)而能夠確保仿真的精度。

圖 3：SSPMG 的特性之一：軟開關(guān)仿真

開關(guān)損耗測(cè)試

DPT 是測(cè)量半導(dǎo)體器件開關(guān)損耗的常用方法。該方法采用的特定步驟包括：首先，通過激活低邊開關(guān)來引起電感電流，然后測(cè)量低邊開關(guān)在某個(gè)電流點(diǎn)關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷損耗。電感電流繼續(xù)由高邊二極管維持，由于壓降很低且持續(xù)時(shí)間短，所以可認(rèn)為電感電流保持恒定。最后，低邊開關(guān)再次導(dǎo)通，故可使用與關(guān)斷期間類似的電感電流來測(cè)量導(dǎo)通損耗。

無論設(shè)置中采用的是半橋還是四分之一橋，都會(huì)影響開關(guān)損耗，這主要是因?yàn)?SiC 肖特基二極管和 MOSFET 體二極管之間存在特性差異。這種配置稱為“升壓”型測(cè)試儀，會(huì)影響主開關(guān)損耗，因?yàn)楦哌呴_關(guān)/二極管中的反向恢復(fù)電流會(huì)影響導(dǎo)通時(shí)的低邊開關(guān)損耗。

電感器的寄生電容和 PCB 漏感等外部因素會(huì)顯著影響有源開關(guān)損耗。電感器的寄生電容會(huì)影響 Eon 和 Eoff，從而影響總體損耗。此外，PCB 漏感和用于減輕 EMI 的鐵氧體磁珠等器件會(huì)改變開關(guān)環(huán)路的大小和性能，減慢電流爬坡并允許電壓達(dá)到較低電平，從而影響損耗。

DPT 雙脈沖測(cè)試儀可以有效測(cè)量損耗，甚至能為寄生元件影響非常小的電路提供高精度保障。雖然安森美的先進(jìn)雙脈沖測(cè)試儀可以出色地比較芯片尺寸和封裝等組合要素，但必須注意的是，測(cè)試環(huán)境下的損耗與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的損耗可能并不一致。用戶具體采用的寄生元件會(huì)大大影響實(shí)際損耗，因此為每個(gè)設(shè)計(jì)定制新的設(shè)置是不切實(shí)際的。

基于建模的仿真可以替代這種基于測(cè)量的資源密集、較為局限且復(fù)雜的方法。利用參數(shù)仿真和高度準(zhǔn)確的仿真模型（如安森美的物理可擴(kuò)展 SPICE 模型），電力電子設(shè)計(jì)人員能夠快速生成準(zhǔn)確的損耗模型。這些仿真支持在單次運(yùn)行中評(píng)估多個(gè)場(chǎng)景，與費(fèi)力的測(cè)量技術(shù)相比，可以更快速、更經(jīng)濟(jì)地提供有價(jià)值的信息。

安森美的 SSPMG 包含 30 多個(gè)參數(shù)，可以對(duì)雙脈沖或轉(zhuǎn)換損耗測(cè)試儀的仿真原理圖進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)而提取 SiC MOSFET 的分立和功率模塊損耗。這款功能全面的工具整合了多種應(yīng)用階段和場(chǎng)景，并支持修改柵極驅(qū)動(dòng)電壓，所以電力電子設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)特定應(yīng)用高效地生成高度準(zhǔn)確的 PLECS 損耗模型。

圖 4：雙脈沖測(cè)試儀基本原理圖

案例研究 - 直流快速充電樁

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 擁有出色的功能，能夠顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，尤其適用于需要優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間線的領(lǐng)域，例如直流快速充電 (DCFC)。25 kW 直流快速充電是電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其中的工具部署就是一個(gè)典型的例子。在此例中，仿真工具有效地促進(jìn)了第一代與第三代碳化硅半橋模塊的比較研究，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了二者的效率差異，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

圖 5：系統(tǒng)板：PFC + DC-DC 機(jī)械草圖

安森美分析并比較了 25kW 直流快充的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果。盡管仿真和實(shí)際測(cè)得的總模塊損耗之間存在微小偏差，但顯示出良好的相關(guān)性。SSPMG 派生模型納入了布局寄生效應(yīng)和電機(jī)繞組電容等復(fù)雜細(xì)節(jié)，可提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，從而幫助 Elite Power 仿真工具提供更深入的分析。

與 SiC MOSFET 交織在一起的各種濾波器、放大器和柵極驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了充電樁的內(nèi)部架構(gòu)。通過利用不同的模塊和拓?fù)洌?a target="_blank">AC-DC 有源轉(zhuǎn)換器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用得以明晰，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想性能。評(píng)估顯示損耗曲線在 ±10% 范圍內(nèi)波動(dòng)，但仿真則給出了波動(dòng)幅度為 ±5% 的復(fù)雜損耗曲線。

圖 6：測(cè)量結(jié)果

仿真和觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系表明，準(zhǔn)確的建模和詳盡的測(cè)量對(duì)于評(píng)估電力電子器件的性能至關(guān)重要。

新動(dòng)態(tài)

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 能夠適應(yīng)各種半導(dǎo)體技術(shù)。這兩種工具最初專注于 SiC 產(chǎn)品，但最近已擴(kuò)展到場(chǎng)截止第 7 代 (FS7) IGBT 產(chǎn)品。兩款工具用途廣泛，工程師可以靈活運(yùn)用于不同器件，根據(jù)具體要求進(jìn)行自定義仿真。

作者簡(jiǎn)介

James Victory 是安森美的研究員，主要從事電源技術(shù)建模和仿真研發(fā)工作。2008 年 6 月，他與其他人聯(lián)合創(chuàng)辦了 Sentinel IC Technologies 公司，致力于提供射頻模擬和電源技術(shù)方面的專業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)。在此之前，他曾擔(dān)任 Jazz Semiconductor 的設(shè)計(jì)支持部執(zhí)行總監(jiān)。1992 年，他在摩托羅拉開始了自己的職業(yè)生涯，主要負(fù)責(zé)射頻模擬和電源技術(shù)領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件建模工作。他分別于 1990 年、1992 年和 1994 年獲得美國亞利桑那州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位、碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他發(fā)表了 50 多篇文章，包括特邀論文和研討會(huì)教程等，而且擁有 6 項(xiàng)半導(dǎo)體器件建模和仿真相關(guān)專利。

審核編輯 黃宇