仿真微调：提高电力电子电路的精度

Fine-Tuning Simulations: Enhancing Precision in Power Electronics Circuits
作者：James Victory，安森美电源方案事业群 TD 建模和仿真方案研究员

在电力电子和电路仿真领域，精度至关重要。仿真结果的真实性取决于各个器件所采用模型的准确性。无论是 IGBT、碳化硅 (SiC) 还是硅 MOSFET，仿真预测的可靠性与模型的精度密切相关。老话说得好，“垃圾进，垃圾出”，即如果输入的是垃圾，那么输出的也是垃圾。

设计人员根据产品手册中在实验室环境下测量出的器件特性（如导通损耗、能量损耗和热阻等），构建系统级模型，大多数行业标准模型也都是如法炮制。然而，这些基于产品手册的模型是实验室配置和环境的产物，并不总能反映实际中遇到的各种条件。因此，不可想当然地认为这些来自产品手册的模型能够准确反映电力电子设计人员所面对的各种复杂寄生环境。事实上，制造商的实验环境与电力电子设计人员的应用环境完全一致的概率接近于零。实验环境与应用环境之间的明显差异，可能导致实际应用中的仿真结果出现重大误差，误差率往往高达 20-30% 甚至更高。要解决这个问题，就必须尽可能改进当前的做法。

安森美 (onsemi) 的 PLECS 模型自助生成工具 (SSPMG) 具超强开创性，用户可以在其中输入特定的寄生环境，创建定制的 PLECS 模型。打个比方，现成的西装不太可能完全合身，而 SSPMG 就像为您量身定做衣服的高级裁缝，可以根据具体应用来准确定制模型。


图 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实很简单。它关注的重点不是安森美在实验室测得的结果，而是您环境中的具体应用。用户可以根据其各自的环境对模型进行微调，进而能够显著提高仿真的准确性。这种对定制性和准确性的重视不仅仅是一个理论概念，而是落实到了具体的解决方案上，能够输出切实可行的结果。业界纷纷意识到，通用模型存在明显的局限性，而针对不同需求采用定制化仿真有着巨大潜力。

安森美 SSPMG 仿真工具还支持用户根据电气偏压和温度条件定制数据密集的参数表。目标是确保表内数据点之间的插值准确，并尽可能地减少外推需求，因为外推常常会给系统仿真带来误差。


图 2：SSPMG 的特性之一：数据密集的损耗参数表

安森美开发的 SSPMG 工具包含了代表电子产品不同制造条件的“边界模型”。其中，阈值电压、RDSon、击穿电压、电容等参数，会因晶圆厂内的物理特性不同而有所差异。这会显著影响被测器件的能量损耗、导通损耗和温度行为，因而捕获这些相关的参数差异非常重要，尤其是在系统层面。

为此，安森美引入了适用于硬开关和软开关的 PLECS 模型，此外还可用于同步整流操作，并且仅针对主开关操作。PLECS 工具可以仿真各种软开关应用，包括 DC-DC LLC 和 CLLC 谐振、双有源桥及相移全桥拓扑。

软开关和硬开关

在电力电子领域，明确区分软开关和硬开关非常重要。对于硬开关，可借助双脉冲测试 (DPT) 来准确计算损耗。但是软开关的性能受拓扑和工作模式影响较大，所以双脉冲测试无法准确计算其具体损耗。

为了解决这个问题，SSPMG 使用新型转换损耗测试仪来准确计算一系列拓扑的能量损耗，包括相移全桥、DC-DC LLC 和 CLLC 谐振拓扑。这种专为软开关而设计的方法提升了常被业界忽视的软开关模型精度。如此一来，工程师能够获得设计方案的准确表示，从而避免不兼容仿真条件所引起的误差。借助我们的集成功能，无论采用何种开关拓扑，设计人员都能够使用准确的模型，进而能够确保仿真的精度。


图 3：SSPMG 的特性之一：软开关仿真

开关损耗测试

DPT 是测量半导体器件开关损耗的常用方法。该方法采用的特定步骤包括：首先，通过激活低边开关来引起电感电流，然后测量低边开关在某个电流点关断时的关断损耗。电感电流继续由高边二极管维持，由于压降很低且持续时间短，所以可认为电感电流保持恒定。最后，低边开关再次导通，故可使用与关断期间类似的电感电流来测量导通损耗。

无论设置中采用的是半桥还是四分之一桥，都会影响开关损耗，这主要是因为 SiC 肖特基二极管和 MOSFET 体二极管之间存在特性差异。这种配置称为“升压”型测试仪，会影响主开关损耗，因为高边开关/二极管中的反向恢复电流会影响导通时的低边开关损耗。

电感器的寄生电容和 PCB 漏感等外部因素会显著影响有源开关损耗。电感器的寄生电容会影响 Eon 和 Eoff，从而影响总体损耗。此外，PCB 漏感和用于减轻 EMI 的铁氧体磁珠等器件会改变开关环路的大小和性能，减慢电流爬坡并允许电压达到较低电平，从而影响损耗。

DPT 双脉冲测试仪可以有效测量损耗，甚至能为寄生元件影响非常小的电路提供高精度保障。虽然安森美的先进双脉冲测试仪可以出色地比较芯片尺寸和封装等组合要素，但必须注意的是，测试环境下的损耗与实际应用场景下的损耗可能并不一致。用户具体采用的寄生元件会大大影响实际损耗，因此为每个设计定制新的设置是不切实际的。

基于建模的仿真可以替代这种基于测量的资源密集、较为局限且复杂的方法。利用参数仿真和高度准确的仿真模型（如安森美的物理可扩展 SPICE 模型），电力电子设计人员能够快速生成准确的损耗模型。这些仿真支持在单次运行中评估多个场景，与费力的测量技术相比，可以更快速、更经济地提供有价值的信息。

安森美的 SSPMG 包含 30 多个参数，可以对双脉冲或转换损耗测试仪的仿真原理图进行微调，进而提取 SiC MOSFET 的分立和功率模块损耗。这款功能全面的工具整合了多种应用阶段和场景，并支持修改栅极驱动电压，所以电力电子设计人员能够针对特定应用高效地生成高度准确的 PLECS 损耗模型。


图 4：双脉冲测试仪基本原理图

案例研究 - 直流快速充电桩

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 拥有出色的功能，能够显著缩短产品开发周期，尤其适用于需要优化设计时间线的领域，例如直流快速充电 (DCFC)。25 kW 直流快速充电是电动汽车充电基础设施的重要组成部分，其中的工具部署就是一个典型的例子。在此例中，仿真工具有效地促进了第一代与第三代碳化硅半桥模块的比较研究，准确预测了二者的效率差异，与实验结果非常吻合。


图 5：系统板：PFC + DC-DC 机械草图

安森美分析并比较了 25kW 直流快充的实测数据与仿真结果。尽管仿真和实际测得的总模块损耗之间存在微小偏差，但显示出良好的相关性。SSPMG 派生模型纳入了布局寄生效应和电机绕组电容等复杂细节，可提高仿真结果的准确度，从而帮助 Elite Power 仿真工具提供更深入的分析。

与 SiC MOSFET 交织在一起的各种滤波器、放大器和栅极驱动器构成了充电桩的内部架构。通过利用不同的模块和拓扑，AC-DC 有源转换器和 DC-DC 转换器之间错综复杂的相互作用得以明晰，进而实现理想性能。评估显示损耗曲线在 ±10% 范围内波动，但仿真则给出了波动幅度为 ±5% 的复杂损耗曲线。


图 6：测量结果

仿真和观测数据之间的动态交互关系表明，准确的建模和详尽的测量对于评估电力电子器件的性能至关重要。

新动态

Elite Power 仿真工具和 SSPMG 能够适应各种半导体技术。这两种工具最初专注于 SiC 产品，但最近已扩展到场截止第 7 代 (FS7) IGBT 产品。两款工具用途广泛，工程师可以灵活运用于不同器件，根据具体要求进行自定义仿真。

作者简介

James Victory 是安森美的研究员，主要从事电源技术建模和仿真研发工作。2008 年 6 月，他与其他人联合创办了 Sentinel IC Technologies 公司，致力于提供射频模拟和电源技术方面的专业设计服务。在此之前，他曾担任 Jazz Semiconductor 的设计支持部执行总监。1992 年，他在摩托罗拉开始了自己的职业生涯，主要负责射频模拟和电源技术领域的半导体器件建模工作。他分别于 1990 年、1992 年和 1994 年获得美国亚利桑那州立大学电气工程学士学位、硕士学位和博士学位。他发表了 50 多篇文章，包括特邀论文和研讨会教程等，而且拥有 6 项半导体器件建模和仿真相关专利。