在設計電源轉換器時，可以使用仿真模型來幫助權衡多個設計標準。簡單的基于開關的有源器件模型用于快速仿真，從而獲得更多工程洞察力。但是，簡單的設備模型不會像詳細的制造商設備模型那樣在設計中調用相同的置信度。

本文著眼于電源轉換器設計人員如何結合使用系統級和詳細模型來探索設計空間并獲得對結果的高度信心。將使用 MathWorks 系統級建模工具 Simulink? 和 Simscape? 展示此過程的一個示例，其中包含代表英飛凌汽車 MOSFET 的詳細 SPICE 子電路。

設計問題

在電力轉換器的開發過程中，數值模擬通常用于概念和可行性研究。仿真模型需要包括模擬電路和相應的數字控制器。模型可以幫助回答的設計問題示例包括：

應該使用哪種拓撲？

對于給定的拓撲，可以實現什么性能？

應該使用什么 PWM 開關頻率？

無源元件需要什么值和額定值？

應該使用什么樣的電源開關？

類型（如 MOSFET 或 IGBT 或 BJT）？

技術和額定電壓（如英飛凌的 OptiMOS? 或 CoolMOS?）和材料（如 Si、SiC 或 GaN）？

對柵極驅動器電路有哪些要求，包括所需的最短死區時間？

最后，根據之前的評估：

可以估計系統效率和組件損耗，然后可以開發合適的冷卻系統

可以研究系統效率與 EM 兼容性的權衡。開關損耗和 EMI 都取決于開關頻率和電源開關壓擺率。

SPICE 仿真工具是電路設計人員的首選解決方案。然而，所描述的設計步驟取決于能否在合理的時間內模擬電源轉換器。Simscape? Electrical? 等電路仿真工具具有簡單的器件模型，這些模型本質上是理想的開關，加上表格開關損耗，可以滿足這種高效的仿真需求。此外，與 Simulink? 的緊密集成意味著數字控制器也包含在仿真中，無需協同仿真。然而，理想的開關假設為后面的設計步驟帶來了一些不確定性，這些步驟專注于確定效率和微調設計。這種不確定性可以通過使用組件制造商開發的詳細 SPICE 設備模型來解決。在本文中，定義了一個流程，可以快速探索設計空間，同時還可以利用詳細的代工廠 SPICE 組件模型。該過程的核心是利用具有不同保真度的多個模型，將模型與要回答的特定設計問題相匹配。同樣重要的是使用低保真度來預初始化詳細的仿真模型，從而減少初始化時間。

降壓轉換器設計示例

本文以圖 1 所示的 48V/12V DC/DC 降壓降壓轉換器為例。降壓轉換器將輸入電壓 （V_IN） 降壓至較低電平的輸出電壓 （V_OUT），表征其行為的主要方程由下式給出：

等式 1

d=V_OUTV_IN\右箭頭V_OUT=d?V_INd=V_OUTV_IN\右箭頭V_OUT=d?V_IN其中 d 表示高端電源開關 （HS_SW） 的占空比。低側電源開關 （LS_SW） 的占空比由 d‘ 給出，定義如下：

等式 2

d’ = 1 - d

圖 1. 降壓（降壓）DC/DC 電源轉換器的結構。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

根據參考電壓 （V_ref） 和測量的輸出電壓 （V_meas），離散時間比例加積分電壓控制器計算所需的占空比 （d）。

英飛凌 SPICE MOSFET 模型

SPICE（具有集成電路重點的仿真程序）仿真器是最常用的模擬電路仿真技術。因此，作為事實上的工業標準，許多半導體制造商開發其產品的 SPICE 模型以支持電路設計。

英飛凌符合汽車標準的 OptiMOS? 功率 MOSFET 產品組合提供 20 V-300 V 范圍內的基準質量、多樣化的封裝和低至 0.55 mΩ的 R ds（on） 。英飛凌的 MOSFET SPICE 模型的結構如圖 2 所示。這種行為 MOSFET 模型 ［1］ 描述了功率開關的電氣和熱特性。

圖 2. 英飛凌 SPICE MOSFET 模型結構示意圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

該模型反映了流過 MOSFET 的電流會導致半導體溫度的變化，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，熱行為以下列方式建模：代表 MOSFET 耗散功率的電流源 （P v ） 將熱量注入 PN 結 （T j ），然后熱量一直傳播到 MOSFET 封裝案例（T c）。熱動力學被建模為由集總熱阻 （R thi ） 和熱電容 （C thi ） 組成的 Cauer 網絡）。通過熱模型的模擬仿真，可以確定給定設計參數（如負載電流、最大允許結溫 （T j ）、環境溫度（ T amb ） 和 PCB 層的厚度/數量（R th PCB和 C th PCB）。

將子電路導入 Simscape

MathWorks 的 Simscape ［5］ 提供了一個框圖環境來模擬多域系統，包括電氣、機械、磁和熱方面。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。

圖 3. TOLL （PG-HSOF-8） 中英飛凌的汽車 MOSFET IAUT300N08S5N012。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

Simscape Electrical? ［6］ 能夠將一組目標 SPICE 設備模型（例如 MOSFET）導入等效的 Simscape 語言實現 ［7］。Simscape 與 Simulink 的緊密集成使得能夠使用單個求解器對數字控制器和模擬電子設備進行仿真，從而實現比不同仿真工具之間的協同仿真更高效的仿真。

SPICE 模型導入功能用于將 Infineon IAUT300N08S5N012 ［2］［4］ 設備（如圖 3 所示）導入 Simscape。導入 Simscape 后，對 Simscape 代碼進行了一些小的編輯，以提供從已發布模塊訪問 Cauer 模型狀態的權限。初始化過程需要提供對內部狀態的自定義訪問。

模擬工作流程

將英飛凌設備導入 Simscape 后，下一步是創建完整轉換器的 Simulink 模型，包括導入的英飛凌設備、剩余的模擬組件和控制器。如圖 4 所示。

控制器使用 Simulink 離散時間庫模塊實現，完整模型使用可變步長求解器進行仿真，以便準確捕獲與寄生效應和 MOSFET 電荷模型相關的更快時間常數。在運行 MATLAB 版本 R2021b 的 Intel? Core? i7-9700 CPU @ 3.00GHz 上，一個控制器 PWM 周期的仿真時間為 2.3 秒。這足以快速分析當前工作狀態下的電路性能，但不能評估電路對設計參數掃描的敏感性或直接優化電路參數。此外，模擬周期性穩態還不夠快，給定大約 10 秒的熱時間常數，相當于 200，000 個 20kHz PWM 周期。

圖 4. 降壓轉換器的詳細模型。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

為了滿足有效探索設計空間的需求，創建了降壓轉換器模型的系統級版本。為此，導入的 MOSFET 器件模型被替換為具有固定導通電阻設置為數據表 R ds（on）值的理想開關。這如圖 5 所示。一些較快的寄生效應也被省略，例如 MOSFET 引線電感。此系統級模型為固定溫度，用戶設置適當的 R ds（on）假定結溫的值。該模型需要大約 0.05 秒來模擬一個 PWM 周期，比詳細模型快 46 倍。由于沒有熱時間常數，最慢的動態現在與電壓調節相關聯，約為 5ms 或 100 個 PWM 周期。模擬到穩態大約需要 5 秒。

憑借這種仿真性能，系統級模型可用于徹底探索設計空間并優化控制器。做出主要設計決策后，最后一步是使用使用英飛凌 MOSFET 模型的詳細仿真模型來驗證設計。此驗證通常在由負載功率和環境溫度定義的一組工作點報告。但是，我們已經看到，將詳細模型模擬到穩態需要 200，000 個 PWM 周期，如果每個周期需要 2.3 秒來模擬，這是不切實際的。

圖 5. 降壓電源轉換器的系統級 Simulink 模型。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

為了在指定的操作點初始化詳細模型，提出了一種涉及多個模型的迭代方法。總的來說，這個想法是將較慢的時間常數分離成運行速度更快的單獨模型。在更詳細地解釋之前，還需要一個模型，它只對 MOSFET 和環境熱狀態進行建模。如圖 6 所示。

為了構建純熱模型，對導入的 Infineon SPICE 子電路進行編輯，只留下 Cauer 網絡。兩個 Cauer 網絡的輸入是兩個恒定熱流源 Q1 和 Q2，它們代表每個 PWM 周期的平均結熱流。這個純熱模型可以運行到穩態，或者使用 Simscape 從穩態啟動選項。無論哪種方式，與其他任何事情相比，解決 Cauer 網絡節點溫度的時間都可以忽略不計。

圖 6. 兩個 MOSFET 的 Simulink 僅熱模型。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

現在使用這三個模型來初始化周期性穩態的詳細模型，如下所示：

將系統級模型（圖 4）運行到周期性穩態。平均上一個完整 PWM 周期的 MOSFET 損耗，以估算結損耗 Q1 和 Q2。

將僅熱模型（圖 6）運行到熱穩態并記錄兩個 Cauer 模型節點的最終溫度。

將詳細模型（圖 5）的熱狀態設置為上述步驟 2 中的值，并將其余模型狀態設置為上述步驟 1 中確定的值。

將詳細模型運行四個完整的 PWM 周期。在最后一個完整的 PWM 周期內平均 MOSFET 損耗，以給出結損耗 Q1 和 Q2 的修正估計值。

重復步驟 2 以修改熱節點溫度。

重復步驟 4 以修改初始狀態和結點損耗估計。

如果需要，可以重復第 5 步和第 6 步，但對于此示例，這不是必需的。該模型現在足夠接近周期性穩態，現在可以評估電路性能。

圖 7 顯示了為 2.85kW 負載供電時的瞬時開關損耗以及整體轉換器效率。這種效率水平偏低，設計人員的下一步可能是為高側和低側開關實現兩個或三個并聯的 MOSFET。需要注意的重要一點是，鑒于使用經過驗證的代工廠 SPICE MOSFET 模型來生成它們并且結果是針對實際電路的，因此可以對這個結果有很高的信心。與基于代表性測試電路的通態和開關損耗數據表圖的有時使用的替代方案相比，這提供了更高的置信度。

圖 7. 電源開關的損耗和整個系統的效率。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 8. 建議的開關電源轉換器仿真流程。

整個過程的總結如圖 8 所示。該過程以 MATLAB? 腳本的形式實現，可以從 MathWorks File Exchange ［3］ 下載。該腳本需要四分鐘來運行并產生圖 7 中的結果。為了比較，確定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。

結論

已經展示了如何在應用電路模型中使用詳細的 SPICE 代工廠半導體模型來對預期的電路性能做出高可信度的預測。初始化具有廣泛變化的時間常數和周期性穩態的模型的挑戰已通過雙管齊下的方法得到解決。首先，通過將 SPICE 子電路導入 Simulink 并使用可變步長求解器求解完整的模擬系統和控制器來避免緩慢的協同仿真。其次，通過使用具有不同保真度級別的多個模型和簡單的迭代方案來找到穩態。最終結果是端到端的設計和仿真能力比單獨使用 SPICE 仿真引擎更快。