CST電磁兼容性仿真—雙脈沖3D仿真

概述

眾所周知，達(dá)索系統(tǒng)的CST對于電磁兼容性仿真有著很好的精度和準(zhǔn)確度。那么CST除了電磁兼容性仿真，SIPI仿真還能做哪些事呢？

CST電磁兼容性仿真2023年達(dá)索系統(tǒng)全球冠軍計劃成員。耐世特資深電子工程師，會定期分享一些使用CST電磁兼容性仿真的案例，以及心得和體會。

都說技多不壓身，今天小編來介紹下使用CST進(jìn)行雙脈沖3D電路仿真，對于功率開關(guān)器件雙脈沖試驗(yàn)是一個不得不做的測試試驗(yàn)。對于功率回路來說雜散電感越小越好，過大的雜散電感會導(dǎo)致Vds的電壓尖峰過大，從而危害MOS管，所以PCB layout完成后可以使用CST仿真優(yōu)化雜散電感

為了評估功率器件的動態(tài)參數(shù)，通常采取的測量方法是雙脈沖測試。那什么是雙脈沖測試呢？顧名思義，是通過兩個脈沖，去控制器件的開關(guān)開關(guān)，然后測試在開關(guān)過程中的一些參數(shù)指標(biāo)。

雙脈沖的意義

考量開關(guān)管在實(shí)際電路中的實(shí)際表現(xiàn)，評估開關(guān)管固有參數(shù)是否滿足設(shè)計需求，如反向恢復(fù)電流，電壓關(guān)斷尖峰，開通關(guān)斷時間。

雙脈沖的目的

（1）對比不同的開關(guān)管的參數(shù)，測量各項(xiàng)動態(tài)參數(shù)

（2）評估功率MOS驅(qū)動電阻的阻值是否合適

（3）功率MOS開關(guān)信號是否有不正常的震蕩,電壓尖峰是否超過耐壓裕值

（4）計算回路雜散電感

（5）評估二極管的反向恢復(fù)行為和安全裕量

雙脈沖的測試原理

雙脈沖測試通常以半橋形式測試，所謂雙脈沖就是上管持續(xù)關(guān)斷，下管驅(qū)動信號給定兩個脈沖從而測試下管的開關(guān)特性。如上圖所示，上管兩端并接一個電感，這里主要測試的就是下管的特性以及上管的反向二極管特性。

雙脈沖測試的電路如圖

雙脈沖測試的波形如下圖

（1）如圖3在t0時刻，門極放出第一個脈沖，開關(guān)管飽和導(dǎo)通，電感電流線性上升，電流公式如下，t1時刻電流值最大，由時間t1決定電流大小。第一階段如圖所示

（2）如圖4在t1時刻，被測開關(guān)管關(guān)斷，電感電流由上管二極管續(xù)流，電流波形如虛線所示，此電流一般不容易檢測。第二階段如圖所示

（3）如圖5在t2時刻，第二個脈沖的上升沿到達(dá)，被測開關(guān)管再次導(dǎo)通，續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流會穿過開關(guān)管，在電流探頭上能捕捉到這個電流。第三階段如圖所示

（4）如圖6在t3時刻，開關(guān)管關(guān)斷，此時電流較大由于母線雜散電感的存在，電壓會出現(xiàn)尖峰，第四個階段如圖所示

根據(jù)上面的分析，我們可以通過雙脈沖測試測得二極管的反向恢復(fù)時間，開關(guān)管的上升時間和下降時間等等。還能測得雜散電感兩端的電壓，通過下面公式計算出回路中的雜散電感。從而去優(yōu)化電路回路中的雜散電感。

Us雜散電感兩端的電壓

Ls雜散電感感值

di/dt母線電流的變化率

雙脈沖測試的仿真

言歸正傳，現(xiàn)在我們來看看雙脈沖測試如何仿真。

第一步：在CST里面建立一個空心電感，最好跟實(shí)際模型一樣，感值在3uH左右，如圖

仿真得到感值如圖

第二步：CST里面3D建模，把PCB導(dǎo)入，將上面的電感模型加在上管mos的兩端，如圖

第三步建立DS電路模型，上管MOS驅(qū)動信號置低，下管MOS給一個90kHz的雙脈沖驅(qū)動信號

我們先看一下實(shí)測雙脈沖波形，黃色通道為母線電流的波形

通過測試我們看第一個斜坡，最大電流158A，di等于158A，時間間隔11.5us左右，dt等于11.5us，綠色信號Vds下降沿的一個豁口電壓Us可以直接讀出來20V左右，這個就是雜散電感兩端的電壓，計算得到雜散電感為1.5uH

再來看一下仿真的雙脈沖波形圖

dt = 11.77us di=154A Us = 21V

最后得出雜散電感為1.6uH

總結(jié)

（1）通過仿真和實(shí)測波形和數(shù)據(jù)對比，結(jié)果還是比較準(zhǔn)確

（2）通過雙脈沖仿真可以準(zhǔn)確評估開關(guān)管的性能，參數(shù)，設(shè)計需求。

（3）在PCB gerber發(fā)給板廠之前我們可以通過仿真去優(yōu)化PCB的寄生參數(shù)，從而達(dá)到高效，低成本，低風(fēng)險的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。