【導(dǎo)讀】在電力電子和電路仿真領(lǐng)域，精度至關(guān)重要。仿真結(jié)果的真實性取決于各個器件所采用模型的準確性。無論是 IGBT、碳化硅 (SiC) 還是硅 MOSFET，仿真預(yù)測的可靠性與模型的精度密切相關(guān)。老話說得好，“垃圾進，垃圾出”，即如果輸入的是垃圾，那么輸出的也是垃圾。
在電力電子和電路仿真領(lǐng)域，精度至關(guān)重要。仿真結(jié)果的真實性取決于各個器件所采用模型的準確性。無論是 IGBT、碳化硅 (SiC) 還是硅 MOSFET，仿真預(yù)測的可靠性與模型的精度密切相關(guān)。老話說得好，“垃圾進，垃圾出”，即如果輸入的是垃圾，那么輸出的也是垃圾。
設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品手冊中在實驗室環(huán)境下測量出的器件特性（如導(dǎo)通損耗、能量損耗和熱阻等），構(gòu)建系統(tǒng)級模型，大多數(shù)行業(yè)標準模型也都是如法炮制。然而，這些基于產(chǎn)品手冊的模型是實驗室配置和環(huán)境的產(chǎn)物，并不總能反映實際中遇到的各種條件。因此，不可想當然地認為這些來自產(chǎn)品手冊的模型能夠準確反映電力電子設(shè)計人員所面對的各種復(fù)雜寄生環(huán)境。事實上，制造商的實驗環(huán)境與電力電子設(shè)計人員的應(yīng)用環(huán)境完全一致的概率接近于零。實驗環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境之間的明顯差異，可能導(dǎo)致實際應(yīng)用中的仿真結(jié)果出現(xiàn)重大誤差，誤差率往往高達 20-30% 甚至更高。要解決這個問題，就必須盡可能改進當前的做法。
安森美 (onsemi) 的 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 具超強開創(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裁縫，可以根據(jù)具體應(yīng)用來準確定制模型。
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很簡單。它關(guān)注的重點不是安森美在實驗室測得的結(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)境對模型進行微調(diào)，進而能夠顯著提高仿真的準確性。這種對定制性和準確性的重視不僅僅是一個理論概念，而是落實到了具體的解決方案上，能夠輸出切實可行的結(jié)果。業(yè)界紛紛意識到，通用模型存在明顯的局限性，而針對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。目標是確保表內(nèi)數(shù)據(jù)點之間的插值準確，并盡可能地減少外推需求，因為外推常常會給系統(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)，會因晶圓廠內(nèi)的物理特性不同而有所差異。這會顯著影響被測器件的能量損耗、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撲。
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。對于硬開關(guān)，可借助雙脈沖測試 (DPT) 來準確計算損耗。但是軟開關(guān)的性能受拓撲和工作模式影響較大，所以雙脈沖測試無法準確計算其具體損耗。
為了解決這個問題，SSPMG 使用新型轉(zhuǎn)換損耗測試儀來準確計算一系列拓撲的能量損耗，包括相移全橋、DC-DC LLC 和 CLLC 諧振拓撲。這種專為軟開關(guān)而設(shè)計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)計方案的準確表示，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)拓撲，設(shè)計人員都能夠使用準確的模型，進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)損耗測試
DPT 是測量半導(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，然后測量低邊開關(guān)在某個電流點關(guān)斷時的關(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)時間短，所以可認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，都會影響開關(guān)損耗，這主要是因為 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”型測試儀，會影響主開關(guān)損耗，因為高邊開關(guān)/二極管中的反向恢復(fù)電流會影響導(dǎo)通時的低邊開關(guān)損耗。
電感器的寄生電容和 PCB 漏感等外部因素會顯著影響有源開關(guān)損耗。電感器的寄生電容會影響 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到較低電平，從而影響損耗。
DPT 雙脈沖測試儀可以有效測量損耗，甚至能為寄生元件影響非常小的電路提供高精度保障。雖然安森美的先進雙脈沖測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，測試環(huán)境下的損耗與實際應(yīng)用場景下的損耗可能并不一致。用戶具體采用的寄生元件會大大影響實際損耗，因此為每個設(shè)計定制新的設(shè)置是不切實際的。
基于建模的仿真可以替代這種基于測量的資源密集、較為局限且復(fù)雜的方法。利用參數(shù)仿真和高度準確的仿真模型（如安森美的物理可擴展 SPICE 模型），電力電子設(shè)計人員能夠快速生成準確的損耗模型。這些仿真支持在單次運行中評估多個場景，與費力的測量技術(shù)相比，可以更快速、更經(jīng)濟地提供有價值的信息。
安森美的 SSPMG 包含 30 多個參數(shù)，可以對雙脈沖或轉(zhuǎn)換損耗測試儀的仿真原理圖進行微調(diào)，進而提取 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)用階段和場景，并支持修改柵極驅(qū)動電壓，所以電力電子設(shè)計人員能夠針對特定應(yīng)用高效地生成高度準確的 PLECS 損耗模型。
圖 4：雙脈沖測試儀基本原理圖
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)計時間線的領(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典型的例子。在此例中，仿真工具有效地促進了第一代與第三代碳化硅半橋模塊的比較研究，準確預(yù)測了二者的效率差異，與實驗結(jié)果非常吻合。
圖 5：系統(tǒng)板：PFC + DC-DC 機械草圖
安森美分析并比較了 25kW 直流快充的實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果。盡管仿真和實際測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)和電機繞組電容等復(fù)雜細節(jié)，可提高仿真結(jié)果的準確度，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撲，AC-DC 有源轉(zhuǎn)換器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器之間錯綜復(fù)雜的相互作用得以明晰，進而實現(xiàn)理想性能。評估顯示損耗曲線在 ±10% 范圍內(nèi)波動，但仿真則給出了波動幅度為 ±5% 的復(fù)雜損耗曲線。
圖 6：測量結(jié)果
仿真和觀測數(shù)據(jù)之間的動態(tài)交互關(guān)系表明，準確的建模和詳盡的測量對于評估電力電子器件的性能至關(guān)重要。
新動態(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，但最近已擴展到場截止第 7 代 (FS7) IGBT 產(chǎn)品。兩款工具用途廣泛，工程師可以靈活運用于不同器件，根據(jù)具體要求進行自定義仿真。
（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）
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