仿真微調：提高電力電子電路的精度

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

在電力電子和電路仿真領域，精度至關重要。仿真結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，仿真預測的可靠性與模型的精度密切相關。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。

設計人員根據產品手冊中在實驗室環境下測量出的器件特性（如導通損耗、能量損耗和熱阻等），構建系統級模型，大多數行業標準模型也都是如法炮制。然而，這些基于產品手冊的模型是實驗室配置和環境的產物，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品手冊的模型能夠準確反映電力電子設計人員所面對的各種復雜寄生環境。事實上，制造商的實驗環境與電力電子設計人員的應用環境完全一致的概率接近于零。實驗環境與應用環境之間的明顯差異，可能導致實際應用中的仿真結果出現重大誤差，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) 具超強開創性，用戶可以在其中輸入特定的寄生環境，創建定制的 PLECS 模型。打個比方，現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，可以根據具體應用來準確定制模型。

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。它關注的重點不是安森美在實驗室測得的結果，而是您環境中的具體應用。用戶可以根據其各自的環境對模型進行微調，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果。業界紛紛意識到，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電氣偏壓和溫度條件定制數據密集的參數表。目標是確保表內數據點之間的插值準確，并盡可能地減少外推需求，因為外推常常會給系統仿真帶來誤差。

圖 2：SSPMG 的特性之一：數據密集的損耗參數表

安森美開發的 SSPMG 工具包含了代表電子產品不同制造條件的“邊界模型”。其中，閾值電壓、RDSon、擊穿電壓、電容等參數，會因晶圓廠內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、導通損耗和溫度行為，因而捕獲這些相關的參數差異非常重要，尤其是在系統層面。

為此，安森美引入了適用于硬開關和軟開關的 PLECS 模型，此外還可用于同步整流操作，并且僅針對主開關操作。PLECS 工具可以仿真各種軟開關應用，包括 DC-DC LLC 和 CLLC 諧振、雙有源橋及相移全橋拓撲。

軟開關和硬開關

在電力電子領域，明確區分軟開關和硬開關非常重要。對于硬開關，可借助雙脈沖測試 (DPT) 來準確計算損耗。但是軟開關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。這種專為軟開關而設計的方法提升了常被業界忽視的軟開關模型精度。如此一來，工程師能夠獲得設計方案的準確表示，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，無論采用何種開關拓撲，設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：軟開關仿真

開關損耗測試

DPT 是測量半導體器件開關損耗的常用方法。該方法采用的特定步驟包括：首先，通過激活低邊開關來引起電感電流，然后測量低邊開關在某個電流點關斷時的關斷損耗。電感電流繼續由高邊二極管維持，由于壓降很低且持續時間短，所以可認為電感電流保持恒定。最后，低邊開關再次導通，故可使用與關斷期間類似的電感電流來測量導通損耗。

無論設置中采用的是半橋還是四分之一橋，都會影響開關損耗，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，會影響主開關損耗，因為高邊開關/二極管中的反向恢復電流會影響導通時的低邊開關損耗。

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環路的大小和性能，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，測試環境下的損耗與實際應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，因此為每個設計定制新的設置是不切實際的。

基于建模的仿真可以替代這種基于測量的資源密集、較為局限且復雜的方法。利用參數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，與費力的測量技術相比，可以更快速、更經濟地提供有價值的信息。

安森美的 SSPMG 包含 30 多個參數，可以對雙脈沖或轉換損耗測試儀的仿真原理圖進行微調，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用階段和場景，并支持修改柵極驅動電壓，所以電力電子設計人員能夠針對特定應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，能夠顯著縮短產品開發周期，尤其適用于需要優化設計時間線的領域，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設施的重要組成部分，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，準確預測了二者的效率差異，與實驗結果非常吻合。

圖 5：系統板：PFC + DC-DC 機械草圖

安森美分析并比較了 25kW 直流快充的實測數據與仿真結果。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性。SSPMG 派生模型納入了布局寄生效應和電機繞組電容等復雜細節，可提高仿真結果的準確度，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、放大器和柵極驅動器構成了充電樁的內部架構。通過利用不同的模塊和拓撲，AC-DC 有源轉換器和 DC-DC 轉換器之間錯綜復雜的相互作用得以明晰，進而實現理想性能。評估顯示損耗曲線在 ±10% 范圍內波動，但仿真則給出了波動幅度為 ±5% 的復雜損耗曲線。

圖 6：測量結果

仿真和觀測數據之間的動態交互關系表明，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重要。

新動態

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 能夠適應各種半導體技術。這兩種工具最初專注于 SiC 產品，但最近已擴展到場截止第 7 代 (FS7) IGBT 產品。兩款工具用途廣泛，工程師可以靈活運用于不同器件，根據具體要求進行自定義仿真。

作者簡介

James Victory 是安森美的研究員，主要從事電源技術建模和仿真研發工作。2008 年 6 月，他與其他人聯合創辦了 Sentinel IC Technologies 公司，致力于提供射頻模擬和電源技術方面的專業設計服務。在此之前，他曾擔任 Jazz Semiconductor 的設計支持部執行總監。1992 年，他在摩托羅拉開始了自己的職業生涯，主要負責射頻模擬和電源技術領域的半導體器件建模工作。他分別于 1990 年、1992 年和 1994 年獲得美國亞利桑那州立大學電氣工程學士學位、碩士學位和博士學位。他發表了 50 多篇文章，包括特邀論文和研討會教程等，而且擁有 6 項半導體器件建模和仿真相關專利。

審核編輯 黃宇