CN106484928B - 基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真分析方法，可用于开关电源等电力电子产品的质量特性分析、优化设计等领域。本发明给出了开关电源中高频变压器等效建模及分布参数提取方法、功率半导体器件(包括肖特基二极管和N沟道功率MOSFET)的电热耦合建模方法、基于iSIGHT平台的多软件联合方法；最终，本发明的仿真方法以iSIGHT平台软件为核心，集成ANSYS的热仿真模型、Ansoft的电磁仿真以及SABER的电路仿真，同时还可考虑元器件的退化效应，实现开关电源的电热耦合集成仿真分析。

Description

基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法

技术领域

本发明属于开关电源等电力电子产品的电热耦合仿真技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法。

背景技术

开关电源负责为用电设备提供能量变换，是用电设备正常工作的基础，其关键地位决定了对性能稳定性和可靠性的更高要求。由于对高功率密度、高集成、高可靠、小体积等日渐需求，功率损耗和温度分布的精确估计对开关电源的性能和稳健性优化至关重要。

目前，对开关电源进行的仿真分析中，很少考虑温度与元器件性能的耦合影响，即在稳态温度情况下进行的电特性分析中，元器件的电参数不随温度而改变。但实际中这些参数都会或多或少受到温度的影响，从而改变工作状态，最终影响到元器件性能、功耗和温升的变化。也就是对温度产生了反馈，这种反馈机理称之为电热耦合效应。忽略电热耦合效应将无法准确模拟电路的真实工作状态，最终可能会影响电路的优化设计结果，甚至导致电路不可靠。

另外，在开关电源优化设计中，精确的数字化仿真模型是准确建立各输出响应和元器件应力与下位特性参数关系的重要手段，因此，开展开关电源的电热耦合建模与仿真研究具有非常重要的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法，用于开关电源等电力电子产品的质量特性分析和优化设计。

本发明的方法包括如下步骤：

1)高频变压器等效模型及分布参数提取

根据高频变压器的结构类型，建立考虑分布参数的等效电路模型和结构Ansoft有限元模型，利用有限元模型进行涡流场仿真和静电场仿真，分别得到阻抗矩阵和容抗矩阵，再从中提取出等效电路模型中的参数；

2)功率半导体器件的电热耦合模型

根据肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的动态特性方程，明确两类器件的关键特性参数与温度的关系，给出两类器件动态损耗的计算方法和计算公式；在此基础上，将确定的元器件参数、温度与功耗的关系通过MAST语言编程，建立起可用于SABER软件仿真的器件电热模型，并添加到元器件模型库中；

3)开关电源电路仿真模型的构建

根据高频变压器等效模型以及肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的器件电热模型，采用SABER软件建立开关电源的电路仿真模型，其中，元器件的基础温度设定为27℃，完成SABER软件的仿真设置，执行一次仿真运行，得到电路的参数化网表.sin文件和数据文件，供其他软件调用；

4)开关电源稳态传热仿真模型的构建

利用ANSYS软件建立开关电源的结构模型和稳态传热模型，分别设置元器件及PCB板的材料属性，划分网格，各元器件的生热率由电路仿真功耗与等效体积求得；

5)对开关电源电、热模型进行集成，构建开关电源电热耦合模型。、

其中，开关电源中最主要的功率半导体器件是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET，上述电热耦合模型是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET两类器件的电热耦合模型。

其中，在步骤1)中，等效电路模型和结构Ansoft有限元模型创建后，根据变压器的材料属性，施加电流激励，线圈与磁芯加绝缘边界条件，整个仿真模型加球形边界条件，设定执行参数后进行自适应求解，先对模型进行涡流场计算，得到阻抗矩阵，提取除分布电容外的所有其他等效参数；然后对模型进行静电场计算，得到各分布电容值。

其中，步骤2)中，VFB为势垒压降，RD为掺杂漂移区电阻，RS、RC分别为基底电阻和接触电阻，在正向偏置条件下，肖特基二极管导通电流为：

式中，φ_B为势垒高度，T为绝对温度，q为单电子电荷量，k为波尔兹曼常数，m为电子质量，h为普朗克常数，势垒压降为：

与漂移区导通电阻R_D相比，基底电阻R_S和接触电阻R_C较小，忽略不计，肖特基二极管的导通压降为：

对上式关于电流I_F求微分，则肖特基二极管的等效导通电阻为：

其中，导通电阻随温度升高而增大，但当导通电流I_F很大时，导通电阻近似等于R_D，不再随导通电流I_F增大而增大；

漂移区导通电阻R_D为

式中，V_B为击穿电压，E_c为击穿电场，μ_n为电子迁移率，R_D随温度的变化由电子迁移率μ_n的温度特性描述；

MOSFET的功率损耗随温度变化而变化。导通电阻R_on随温度变化的数学模型为：

式中，T_j为MOSFET的结温(K)，系数k＝V_gs-V_th，V_gs为T₀＝300K温度下的栅源电压，r为常数(TO247封装取2.65)。

在SABER模型中，功率MOSFET的其他主要特性参数与温度的关系采用如下的方程描述，阈值电压V_th(T)与温度T的关系为：

V_th(T)＝V_th(T₀)-TCVTO×(T-T₀) (7)

跨导KP(T)与温度的关系为

表面电势PHI(T)与温度的关系为

纵向临界电场UCRIT(T)与温度的关系为

式中，E_g为带隙激活能，且k_b为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，TCVTO为阈值电压温度系数，NKP为跨导温度指数，UCEX为纵向临界电场温度指数。

本发明的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法以iSIGHT平台软件为核心，集成ANSYS的热仿真模型、Ansoft的电磁仿真以及SABER的电路仿真，同时还可考虑元器件的退化效应，实现开关电源的电热耦合集成仿真分析。

附图说明

图1为本发明的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法的基本流程图。

图2为本发明一实施方式的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法中单端反激变压器的等效电路模型。

图3为本发明一实施方式的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法中肖特基二极管结构及等效电路。

图4为本发明一实施方式的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法中N沟道功率MOSFET等效电路。

图5为本发明一实施方式的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法中基于iSIGHT平台的电热耦合仿真示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真分析方法，用于开关电源等电力电子产品的质量特性分析和优化设计。

在一实施方式中，本发明的基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法的基本流程如图1所示，该方法的技术途径通过以下步骤实现：

1)高频变压器等效模型及分布参数提取

高频变压器是开关电源中重要的核心部件，承担着电压变换、能量传递等作用。实际生产出的高频变压器中含有许多寄生参数，有些寄生参数的存在会对电路运行产生不利影响。本发明以某型号单端反激变压器为例进行说明，该变压器采用铁氧体ETD29磁芯，输入电压400V，输出电压140V，工作频率为65kHz，额定功率100W，工作于连续模式。根据单端反激变压器的结构类型，分别建立考虑分布参数的等效电路模型(如图2所示)和结构的Ansoft有限元模型。

创建仿真模型后，根据表1的材料属性，施加电流激励，线圈与磁芯加绝缘边界条件，整个仿真模型加球形边界条件，设定执行参数后进行自适应求解。先对模型进行涡流场计算，得到阻抗矩阵，提取除分布电容外的所有其他等效参数；然后对模型进行静电场计算，得到各分布电容值，如表2所示。

表1 变压器组件的材料属性

表2 高频反激变压器等效模型参数

2)功率半导体器件的电热耦合模型

开关电源中最主要的功率半导体器件是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET，本发明只涉及肖特基二极管和N沟道功率MOSFET两类器件的电热耦合模型。两者的等效电路分别如图3、图4所示。

在图3中，VFB为势垒压降，RD为掺杂漂移区电阻，RS、RC分别为基底电阻和接触电阻。在正向偏置条件下，肖特基二极管导通电流为

式中，φ_B为势垒高度，T为绝对温度，q为单电子电荷量，k为波尔兹曼常数，m为电子质量，h为普朗克常数。势垒压降为

与漂移区导通电阻R_D相比，基底电阻R_S和接触电阻R_C较小，通常可忽略不计。由此可得肖特基二极管的导通压降为

对上式关于电流I_F求微分，则肖特基二极管的等效导通电阻为

由此可见，导通电阻随温度升高而增大。但当导通电流I_F很大时，导通电阻近似等于R_D，不再随导通电流I_F增大而增大。

漂移区导通电阻R_D为

式中，V_B为击穿电压，E_c为击穿电场，μ_n为电子迁移率。R_D随温度的变化可由电子迁移率μ_n的温度特性描述。

在图4的N沟道功率MOSFET等效电路中，Cgd、Cgs、Cds为非线性极间电容，Rg、RD、RS分别为极间等效电阻。功率MOSFET动态特性参数受温度影响，其中最主要的是影响功率MOSFET通态损耗的导通电阻R_on。导通电阻R_on是温度的函数，随温度的升高而增大。因此，MOSFET的功率损耗也随温度变化而变化。导通电阻R_on随温度变化的数学模型为

式中，T_j为MOSFET的结温(K)，系数k＝V_gs-V_th，V_gs为T₀＝300K温度下的栅源电压，r为常数(TO247封装取2.65)。

在SABER模型中，功率MOSFET的其他主要特性参数与温度的关系可采用如下的方程描述。阈值电压与温度的关系为

V_th(T)＝V_th(T₀)-TCVTO×(T-T₀) (7)

跨导与温度的关系为

表面电势与温度的关系为

纵向临界电场与温度的关系为

式中，E_g为带隙激活能，且k_b为波尔兹曼常数，q为电子电荷量。

在此基础上，将确定的元器件参数、温度与功耗的关系通过MAST语言编程，建立起可用于SABER软件仿真的器件模型，并添加到元器件模型库中。

开关电源电路仿真模型的构建

根据高频变压器等效模型以及肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的器件电热模型，采用SABER软件建立开关电源的电路仿真模型。其中，元器件的基础温度设定为27℃。完成SABER软件的仿真设置，执行一次仿真运行，得到电路的参数化网表.sin文件和数据文件，供其他软件调用。

开关电源稳态传热仿真模型的构建

利用ANSYS软件建立开关电源的结构模型和稳态传热模型，分别设置元器件及PCB板的材料属性(如表3所示)，划分网格，各元器件的生热率由电路仿真功耗与等效体积求得。

表3 主要部件的材料属性

对开关电源电、热模型进行集成，构建开关电源电热耦合模型

以iSIGHT平台软件为核心，集成ANSYS的热仿真模型、Ansoft的电磁仿真以及SABER的电路仿真，同时还可考虑元器件的退化效应，实现开关电源的电热耦合集成仿真分析，实现流程原理如图5所示。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (4)

1.基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法，包括以下步骤：

1)高频变压器等效模型及分布参数提取

根据高频变压器的结构类型，建立考虑分布参数的等效电路模型和结构Ansoft有限元模型，利用有限元模型进行涡流场仿真和静电场仿真，分别得到阻抗矩阵和容抗矩阵，再从中提取出等效电路模型中的参数；

2)功率半导体器件的电热耦合模型

根据肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的动态特性方程，明确两类器件的关键特性参数与温度的关系，给出两类器件动态损耗的计算方法和计算公式；在此基础上，将确定的元器件参数、温度与功耗的关系通过MAST语言编程，建立起用于SABER软件仿真的器件电热模型，并添加到元器件模型库中；MOSFET的功率损耗随温度变化而变化，导通电阻R_on随温度变化的数学模型为：

式中，T_j为MOSFET的结温(K)，系数k＝V_gs-V_th，V_gs为T₀＝300K温度下的栅源电压，r为常数；

3)开关电源电路仿真模型的构建

根据高频变压器等效模型以及肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的器件电热模型，采用SABER软件建立开关电源的电路仿真模型，其中，元器件的基础温度设定为27℃，完成SABER软件的仿真设置，执行一次仿真运行，得到电路的参数化网表.sin文件和数据文件，供其他软件调用；在SABER模型中，功率MOSFET的其他主要特性参数与温度的关系采用如下的方程描述，阈值电压V_th(T)与温度T的关系为：

V_th(T)＝V_th(T₀)-TCVTO×(T-T₀) (7)

跨导KP(T)与温度的关系为

表面电势PHI(T)与温度的关系为

纵向临界电场UCRIT(T)与温度的关系为

式中，E_g为带隙激活能，且k_b为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，TCVTO为阈值电压温度系数，NKP为跨导温度指数，UCEX为纵向临界电场温度指数；

4)开关电源稳态传热仿真模型的构建

利用ANSYS软件建立开关电源的结构模型和稳态传热模型，分别设置元器件及PCB板的材料属性，划分网格，各元器件的生热率由电路仿真功耗与等效体积求得；

5)对开关电源电、热模型进行集成，构建开关电源电热耦合模型。

2.如权利要求1所述的方法，其中，开关电源中最主要的功率半导体器件是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET，上述电热耦合模型是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET两类器件的电热耦合模型。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤1)中，等效电路模型和结构Ansoft有限元模型创建后，根据变压器的材料属性，施加电流激励，线圈与磁芯加绝缘边界条件，整个仿真模型加球形边界条件，设定执行参数后进行自适应求解，先对模型进行涡流场计算，得到阻抗矩阵，提取除分布电容外的所有其他等效参数；然后对模型进行静电场计算，得到各分布电容值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2)中，VFB为势垒压降，RD为掺杂漂移区电阻，RS、RC分别为基底电阻和接触电阻，在正向偏置条件下，肖特基二极管导通电流为：

式中，φ_B为势垒高度，T为绝对温度，q为单电子电荷量，k为波尔兹曼常数，m为电子质量，h为普朗克常数，势垒压降为：

与漂移区导通电阻R_D相比，基底电阻R_S和接触电阻R_C较小，忽略不计，肖特基二极管的导通压降为：

对上式关于电流I_F求微分，则肖特基二极管的等效导通电阻为：

其中，导通电阻随温度升高而增大，但当导通电流I_F很大时，导通电阻近似等于R_D，不再随导通电流I_F增大而增大；

漂移区导通电阻R_D为

式中，V_B为击穿电压，E_c为击穿电场，μ_n为电子迁移率，R_D随温度的变化由电子迁移率μ_n的温度特性描述。