CN111680464A - 一种h桥驱动电路的热仿真模型及热仿真方法 - Google Patents

一种h桥驱动电路的热仿真模型及热仿真方法 Download PDF

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张慧君
吴晓章
周毅
姜辛
牛胜福
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Abstract

本发明实施例公开了一种H桥驱动电路的热仿真模型及热仿真方法，该热仿真模型包括：第一仿真电源、第二仿真电源、第一仿真电阻组、第二仿真电阻组和仿真负载；第一仿真电源、第一仿真电阻组和仿真负载依次串联构成第一仿真回路；第二仿真电源、第二仿真电阻组和仿真负载构成第二仿真回路；第一仿真电源模拟仿真H桥驱动电路中的电源；第二仿真电源模拟仿真感性负载存储的电能。该热仿真模型基于H桥驱动电路的工作模式搭建，因而利用该热仿真模型能够更加精确地评估H桥芯片的结温。

Description

一种H桥驱动电路的热仿真模型及热仿真方法
技术领域
本发明实施例涉及电路热仿真技术，尤其涉及一种H桥驱动电路的热仿真模型及热仿真方法。
背景技术
随着集成电路的集成度和功率越来越高，体积越来越小，产品的热设计已经成为确保产品可靠性的关键环节。为保证基本的热设计要求，我们必须确保集成电路的温度不超过它的最高结温。
POWER DC是一款电热协同仿真软件，常用于集成电路的电热分析。为保证分析结果的可靠性，搭建的仿真模型需要与电路的工作模式相对应。然而，现有的POWER DC仿真模型通常由单一电源和负载构成，并不适用于所有电路的热分析。
例如，H桥驱动电路的工作模式是由两种电源、阻性负载和感性负载构成的(后续详细介绍)，现有的由单一电源和负载构成的仿真模型无法准确体现H桥驱动电路的工作模式，无法准确评估电路中H桥芯片的结温。作为集成电路中常用的逆变电路(逆变器)，搭建一种符合H桥驱动电路的工作模式的热仿真模型十分有必要，如此才能准确评估H桥芯片的结温，保证H桥芯片的正常散热和稳定工作。
发明内容
本发明实施例提供一种H桥驱动电路的热仿真模型及热仿真方法，利用该热仿真模型能够更加精确地评估H桥芯片的结温。
第一方面，本发明实施例提供了一种H桥驱动电路的热仿真模型，H桥驱动电路包括电源、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和负载；第一开关单元的第一端和第二开关单元的第一端均与电源电连接，第一开关单元的第二端、第四开关单元的第一端以及负载的第一端连接于第一节点，第二开关单元的第二端、第三开关单元的第一端以及负载的第二端连接于第二节点，第三开关单元的第二端和第四开关单元的第二端均接地；负载包括感性负载；
热仿真模型包括第一仿真电源、第二仿真电源、第一仿真电阻组、第二仿真电阻组和仿真负载；
第一仿真电源、第一仿真电阻组和仿真负载依次串联构成第一仿真回路；第二仿真电源、第二仿真电阻组和仿真负载构成第二仿真回路；
第一仿真电源模拟仿真H桥驱动电路中的电源；第二仿真电源模拟仿真感性负载存储的电能。
可选的，第一仿真电阻组包括第一仿真电阻和第二仿真电阻，第二仿真电阻组包括第三仿真电阻以及第二仿真电阻。
可选的，第一仿真电阻的阻值等于H桥驱动电路中第一开关单元的内阻，第二仿真电阻的阻值等于H桥驱动电路中第三开关单元的内阻，第三仿真电阻的阻值等于H桥驱动电路中第四开关单元的内阻。
可选的，第一仿真电阻的阻值等于H桥驱动电路中第二开关单元的内阻，第二仿真电阻的阻值等于H桥驱动电路中第四开关单元的内阻，第三仿真电阻的阻值等于H桥驱动电路中第三开关单元的内阻。
可选的，仿真负载包括感性仿真负载。
可选的，负载还包括阻性负载；
仿真负载还包括阻性仿真负载，阻性仿真负载与感性仿真负载串联。
第二方面，本发明实施例还提供了一种H桥驱动电路的热仿真方法，采用上述任一方面提供的H桥驱动电路的热仿真模型执行，该热仿真方法包括：
控制第一仿真电源为第一仿真电阻组以及仿真负载供电；
控制第二仿真电源为第二仿真电阻组以及仿真负载供电；
计算第一仿真电阻组和第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量。
可选的，计算第一仿真电阻组和第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量之后，还包括：
根据仿真总热量确定H桥驱动电路中H桥芯片的结温。
可选的，根据仿真总热量确定H桥驱动电路中H桥芯片的结温，包括：
根据如下公式计算H桥芯片的结温：
Figure BDA0002522746850000031
其中，Tj表示结温，Ta表述环境温度，E表示第一仿真电阻组和第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量，T表示工作时间，Rthja表示H桥芯片的热阻。
可选的，控制第一仿真电源为第一仿真电阻组以及仿真负载供电之前，还包括：
根据H桥驱动电路中电源的实际输出电压确定第一仿真电源；
根据感性负载存储的电能确定第二仿真电源。
本发明实施例搭建的H桥驱动电路的热仿真模型中，基于H桥驱动电路的工作模式增设了第二仿真电源，利用第一仿真电源模拟仿真H桥驱动电路中的电源，为第一仿真回路供电，利用第二仿真电源模拟仿真感性负载存储的电能，为第二仿真回路供电，进而可以得到模型运行过程中各器件产生的热量，计算H桥芯片的结温。由于该热仿真模型是基于H桥驱动电路的工作模式搭建的，因而可以更准确地评估H桥芯片的结温。
附图说明
图1是H桥驱动电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真模型；
图3是本发明又一实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真模型；
图4是本发明又一实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真模型；
图5是图4所示热仿真模型构成的电路中各支路的电流波形图；
图6是本发明实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真方法的流程示意图；
图7是本发明又一实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在介绍本发明实施例搭建的热仿真模型之前，首先对H桥驱动电路的结构和工作模式做如下介绍。示例性的，图1是H桥驱动电路的结构示意图，如图1所示，H桥驱动电路包括电源Vbat、第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4和负载(电感L和电阻R)；第一开关单元Q1的第一端和第二开关单元Q2的第一端均与电源Vbat电连接，第一开关单元Q1的第二端、第四开关单元Q4的第一端以及负载的第一端(电感L的第一端)连接于第一节点，第二开关单元Q2的第二端、第三开关单元Q3的第一端以及负载的第二端(电阻R的第二端)连接于第二节点，第三开关单元Q3的第二端和第四开关单元Q4的第二端均接地；负载包括感性负载(即电感L)。
H桥驱动电路中，电源Vbat为直流电源，第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3以及第四开关单元Q4构成H桥芯片，电感L和电阻R外接于H桥芯片的引脚上，直流电源经过H桥芯片后可以在电阻R上形成交流电向外部电路输出。具体的，通过交替切换第一开关单元Q1、第三开关单元Q3与第二开关单元Q2、第四开关单元Q4的通断状态，可以在电阻R上获得交变电流，从而将直流电源转换为交流电源。示例性的，将第一开关单元Q1和第三开关单元Q3导通，可形成正向电流，再切换至第二开关单元Q2和第四开关单元Q4导通后，可形成反向电流，连续切换两组开关单元的通断状态，即可将直流电源转换为交流电源。
示例性的，图1中各开关单元为MOS管，各开关单元还可以是其他类型的晶体管，在此不做过多说明。可以理解的，各开关单元存在内阻，因此，在两组开关单元的切换过程中，各开关单元会消耗能量，产生热量，使H桥芯片温度升高。设计热仿真模型的目的便是为了检测电路运行过程中H桥芯片的结温(温度)是否会超过其最高结温，若是，则需要调整电路布局或设计散热装置等，以保证H桥芯片的正常散热和稳定运行。
然而，H桥芯片的工作模式比较特殊，与现有的仿真模型不适应。示例性的，假设当前第一开关单元Q1和第三开关单元Q3为导通状态，直流电源Vbat的能量将在第一开关单元Q1、第三开关单元Q3、电感L以及电阻R组成的闭合回路中释放。切换两组开关单元的通断状态时，需要先将第一开关单元Q1关断，与此同时将第四开关单元Q4导通，然后将第三开关单元Q3关断关断，与此同时将第二开关单元Q2导通，以完成交流电中正向电流向反向电流的切换。可以理解的，在第一开关单元Q1关断且第四开关单元Q4导通的过程中，第四开关单元Q4、第三开关单元Q3、电感L以及电阻R组成闭合回路，由于感性负载(电感L)的存在，其上存储有能量，该能量将在此闭合回路中释放。由此可见，H桥驱动电路的工作模式中包括两种电源以及感性负载和阻性负载。一种电源是直流电源(即H桥驱动电路的电源Vbat)，另一种电源是感性负载存储的能量，并且，两种电源为不同的“负载”供电(两闭合回路中的开关单元组合不同)，因此，现有单一电源和负载构成的仿真模型无法体现H桥驱动电路的工作模式。
基于以上分析，本发明实施例提供了一种H桥驱动电路的热仿真模型，该模型能够更好地体现H桥驱动电路的工作模式，因而能够更准确的评估H桥芯片的结温。
图2是本发明实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真模型，参见图2，该热仿真模型10包括第一仿真电源110、第二仿真电源140、第一仿真电阻组120、第二仿真电阻组150和仿真负载130；第一仿真电源110、第一仿真电阻组120和仿真负载130依次串联构成第一仿真回路；第二仿真电源140、第二仿真电阻组150和仿真负载130构成第二仿真回路；第一仿真电源110模拟仿真H桥驱动电路中的电源；第二仿真电源140模拟仿真感性负载存储的电能。
其中，第一仿真电阻组120和第二仿真电阻组150均表示电阻的组合，且第一仿真电阻组120和第二仿真电阻组150中的电阻的组合不同，以电阻模拟仿真H桥芯片中的开关单元，表征其内阻。
其中，仿真负载130用于模拟仿真H桥驱动电路中的负载。可选的，仿真负载130包括感性仿真负载，用于模拟仿真电感L。由于H桥驱动电路中的负载还包括阻性负载，即电阻R，因此，仿真负载130还包括阻性仿真负载，阻性仿真负载与感性仿真负载串联，阻性负载用于模拟仿真电阻R。
如上文所述，H桥驱动电路中，两种电源为不同的“负载”供电。基于此工作模式，本发明实施例采用第一仿真电源110模拟仿真H桥驱动电路中的电源，用于为第一仿真电阻组120和仿真负载130供电，同时增设了第二仿真电源140，以模拟仿真感性负载存储的电能，用于为第二仿真电阻组150和仿真负载130供电。如此，在仿真模型的运行过程中即可得到第一仿真电阻组120和第二仿真电阻组150上产生的热量(即H桥芯片产生的热量)，根据该热量可以计算可以得到H桥芯片的结温，判断是否高于芯片的最高结温。后续将详细介绍H桥芯片产生热量的计算，在此不再赘述。
本发明实施例搭建的H桥驱动电路的热仿真模型中，基于H桥驱动电路的工作模式增设了第二仿真电源，利用第一仿真电源模拟仿真H桥驱动电路中的电源，为第一仿真回路供电，利用第二仿真电源模拟仿真感性负载存储的电能，为第二仿真回路供电，进而可以得到模型运行过程中各器件产生的热量，计算H桥芯片的结温。由于该热仿真模型是基于H桥驱动电路的工作模式搭建的，因而可以更准确地评估H桥芯片的结温。
在上述实施例的基础上，图3是本发明又一实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真模型，对上述仿真模型结构做了进一步细化。可选的，第一仿真电阻组120包括第一仿真电阻121和第二仿真电阻122，第二仿真电阻组150包括第三仿真电阻151以及第二仿真电阻122。进一步可选的，第一仿真电阻121的阻值等于H桥驱动电路中第一开关单元Q1的内阻，第二仿真电阻122的阻值等于H桥驱动电路中第三开关单元Q3的内阻，第三仿真电阻151的阻值等于H桥驱动电路中第四开关单元Q4的内阻。或者，第一仿真电阻121的阻值等于H桥驱动电路中第二开关单元Q2的内阻，第二仿真电阻122的阻值等于H桥驱动电路中第四开关单元Q4的内阻，第三仿真电阻151的阻值等于H桥驱动电路中第三开关单元Q3的内阻。
如上所述，通过交替切换H桥芯片中两组开关单元的通断状态，可以在电阻R上产生交流电。可以理解的，电阻R上电流为正向时H桥芯片产生的热量与电阻R上电流为负向时H桥芯片产生的热量基本相同。因此，在搭建热仿真模型时，可以搭建与电阻R上始终为正向电流相对应的模型，也可以搭建与电阻R上始终为负向电流相对应的模型。
示例性的，若电阻R上始终为正向电流，那么，H桥芯片的控制逻辑如下：首先控制第一开关单元Q1以及第三开关单元Q3导通，然后控制第一开关单元Q1关断并且控制第四开关单元Q4导通，接着控制第一开关单元Q1导通并且控制第四开关单元Q4关断，接着继续控制第一开关单元Q1关断并且控制第四开关单元Q4导通……，如此往复，交替切换第一开关单元Q1和第四开关单元Q4的通断状态。当第一开关单元Q1导通时，直流电源Vbat为第一开关单元Q1和第三开关单元Q3供电，当第四开关单元Q4导通时，电感L存储的电能为第四开关单元Q4和第三开关单元Q3供电。由此容易得到，与此对应的模型中，第一仿真电阻组120包括第一仿真电阻121和第二仿真电阻122，第二仿真电阻组150包括第三仿真电阻151以及第二仿真电阻122，其中，第一仿真电阻121模拟仿真第一开关单元Q1，其阻值等于H桥驱动电路中第一开关单元Q1的内阻，第二仿真电阻122模拟仿真第三开关单元Q3，其阻值等于H桥驱动电路中第三开关单元Q3的内阻，第三仿真电阻151模拟仿真第四开关单元Q4，其阻值等于H桥驱动电路中第四开关单元Q4的内阻。
同理，当电阻R上始终为反向电流时，第四开关单元Q4始终处于导通状态，第二开关单元Q2和第三开关单元Q3的通断状态交替切换。相应的，仿真模型中第一仿真电阻组120包括第一仿真电阻121和第二仿真电阻122，第二仿真电阻组150包括第三仿真电阻151以及第二仿真电阻122，其中，第一仿真电阻121模拟仿真第二开关单元Q2，其阻值等于H桥驱动电路中第二开关单元Q2的内阻，第二仿真电阻122模拟仿真第四开关单元Q4，其阻值等于H桥驱动电路中第四开关单元Q4的内阻，第三仿真电阻151模拟仿真第三开关单元Q3，其阻值等于H桥驱动电路中第三开关单元Q3的内阻。
示例性的，图4是本发明又一实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真模型，以电阻R上的电流始终为正向电流为例，介绍一种具体的仿真模型结构。图5是图4所示热仿真模型构成的电路中各支路的电流波形图。其中，V表示第一开关单元Q1的控制信号，高电平对应第一开关单元Q1导通，低电平对应第一开关单元Q1关断(此时，第四开关单元Q4导通)。Io表示流经第三开关单元Q3、电感L和电阻R的电流，I1表示流经第一开关单元Q1的电流，I2表示流经第四开关单元Q4的电流。下面结合图4和图5介绍H桥芯片产生热量的计算。
以一个时间周期为例，H桥芯片在该周期各个阶段产生的热量如下：控制第一开关单元Q1和第三开关单元Q3导通过程中，第一开关单元Q1和第三开关单元Q3消耗电能，产生热量E1；控制第一开关单元Q1关断瞬间，第一开关单元Q1消耗电能，产生热量E2；控制第四开关单元Q4导通过程中，电感L存储的电能通过第四开关单元Q4和第三开关单元Q3释放，产生热量E3。因此，在一个时间周期内，H桥芯片产生的热量E＝E1+E2+E3。具体的，根据各开关单元的内阻、流经各开关单元的电流、以及开关单元的工作时间即可计算其产生的热量，进而得到总热量E，在此不作过多说明。
根据该热量可以计算H桥芯片的结温。具体可以根据如下公式计算H桥芯片的结温：
Figure BDA0002522746850000101
其中，Tj表示结温，Ta表述环境温度，T表示工作时间，E表示该工作时间内H桥芯片上的热量，Rthja表示H桥芯片的热阻，是一个定值。
在利用图4所示仿真模型模拟H桥驱动电路始终输出正向电流的过程中，如果仿真软件可以实现损态电路的模拟，可以分别控制第一仿真电源(图4中Vbat)和第二仿真电源(图4中VL)在不同时间段输出不同的电源，如此仿真分析结果更准确；如果仿真软件仅能实现稳态电路的模拟(例如POWER DC)，则可以通过合理设计第一仿真电源和第二仿真电源的输出电能，同时控制两电源为此仿真模型中的“负载”供电。具体仿真方式可以根据使用的仿真软件设计，本发明实施例对此不作限定。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种H桥驱动电路的热仿真方法，采用上述任一实施例供的H桥驱动电路的热仿真模型执行，具体的，通过在仿真软件中运行上述仿真模型实现。图6是本发明实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真方法的流程示意图，参见图6，该热仿真方法包括如下步骤：
S210、控制第一仿真电源为第一仿真电阻组以及仿真负载供电；
S220、控制第二仿真电源为第二仿真电阻组以及仿真负载供电；
其中，S210和S220可以同时执行，也可以在不同的时间段执行，具体可根据选用的仿真软件的功能相应设计，本发明实施例对此不作限定。
S230、计算第一仿真电阻组和第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量。
得到仿真总热量后，即可评估当前电路布局是否满足H桥芯片的散热需求。如果不满足散热需求，则需要改良电路布局或增设散热装置。
图7是本发明又一实施例提供的一种H桥驱动电路的热仿真方法的流程示意图，对上述热仿真方法做了进一步优化。参见图7，该热仿真方法包括如下步骤：
S201、根据H桥驱动电路中电源的实际输出电压确定第一仿真电源；
S202、根据感性负载存储的电能确定第二仿真电源；
S210、控制第一仿真电源为第一仿真电阻组以及仿真负载供电；
S220、控制第二仿真电源为第二仿真电阻组以及仿真负载供电；
如果仿真软件可以实现损态电路的模拟仿真，则可以按照S201和S202根据模拟的电源的实际输出电能确定各仿真电源，分别控制第一仿真电源和第二仿真电源供电，如此，仿真结果的准确性更高。
如果仿真软件只能实现稳态电路的模拟仿真，则可以综合考虑H桥驱动电路中电源的实际输出电压以及感性负载存储的电能，合理设计第一仿真电源和第二仿真电源，同时控制第一仿真电源和第二仿真电源供电，也能保证仿真结果的准确性。
S230、计算第一仿真电阻组和第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量；
S240、根据仿真总热量确定H桥驱动电路中H桥芯片的结温。
可选的，可以根据如下公式计算H桥芯片的结温：
Figure BDA0002522746850000121
其中，Tj表示结温，Ta表述环境温度，E表示第一仿真电阻组和第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量，T表示工作时间，Rthja表示H桥芯片的热阻。
H桥芯片的最高结温通常为一个定值，在得到仿真总热量后，可根据上述公式计算H桥芯片的实际结温，将其与H桥芯片的最高结温作比较，即可判断当前电路布局是否满足H桥芯片的热设计要求。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种H桥驱动电路的热仿真模型，所述H桥驱动电路包括电源、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和负载；所述第一开关单元的第一端和所述第二开关单元的第一端均与所述电源电连接，所述第一开关单元的第二端、所述第四开关单元的第一端以及所述负载的第一端连接于第一节点，所述第二开关单元的第二端、所述第三开关单元的第一端以及所述负载的第二端连接于第二节点，所述第三开关单元的第二端和所述第四开关单元的第二端均接地；所述负载包括感性负载；
其特征在于，所述热仿真模型包括第一仿真电源、第二仿真电源、第一仿真电阻组、第二仿真电阻组和仿真负载；
所述第一仿真电源、所述第一仿真电阻组和所述仿真负载依次串联构成第一仿真回路；所述第二仿真电源、所述第二仿真电阻组和所述仿真负载构成第二仿真回路；
所述第一仿真电源模拟仿真所述H桥驱动电路中的电源；所述第二仿真电源模拟仿真所述感性负载存储的电能。
2.根据权利要求1所述的热仿真模型，其特征在于，所述第一仿真电阻组包括第一仿真电阻和第二仿真电阻，所述第二仿真电阻组包括第三仿真电阻以及所述第二仿真电阻。
3.根据权利要求2所述的热仿真模型，其特征在于，所述第一仿真电阻的阻值等于所述H桥驱动电路中第一开关单元的内阻，所述第二仿真电阻的阻值等于所述H桥驱动电路中第三开关单元的内阻，所述第三仿真电阻的阻值等于所述H桥驱动电路中第四开关单元的内阻。
4.根据权利要求2所述的热仿真模型，其特征在于，所述第一仿真电阻的阻值等于所述H桥驱动电路中第二开关单元的内阻，所述第二仿真电阻的阻值等于所述H桥驱动电路中第四开关单元的内阻，所述第三仿真电阻的阻值等于所述H桥驱动电路中第三开关单元的内阻。
5.根据权利要求1所述的热仿真模型，其特征在于，所述仿真负载包括感性仿真负载。
6.根据权利要求5所述的热仿真模型，其特征在于，所述负载还包括阻性负载；
所述仿真负载还包括阻性仿真负载，所述阻性仿真负载与所述感性仿真负载串联。
7.一种H桥驱动电路的热仿真方法，采用权利要求1-6任一项所述的H桥驱动电路的热仿真模型执行，其特征在于，包括：
控制第一仿真电源为第一仿真电阻组以及仿真负载供电；
控制第二仿真电源为第二仿真电阻组以及所述仿真负载供电；
计算所述第一仿真电阻组和所述第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量。
8.根据权利要求7所述的热仿真方法，其特征在于，计算所述第一仿真电阻组和所述第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量之后，还包括：
根据所述仿真总热量确定所述H桥驱动电路中H桥芯片的结温。
9.根据权利要求8所述的热仿真方法，其特征在于，根据所述仿真总热量确定所述H桥驱动电路中H桥芯片的结温，包括：
根据如下公式计算所述H桥芯片的结温：
Figure FDA0002522746840000021
其中，Tj表示结温，Ta表述环境温度，E表示所述第一仿真电阻组和所述第二仿真电阻组中电阻产生的仿真总热量，T表示工作时间，Rthja表示所述H桥芯片的热阻。
10.根据权利要求7所述的热仿真方法，其特征在于，控制所述第一仿真电源为第一仿真电阻组以及所述仿真负载供电之前，还包括：
根据所述H桥驱动电路中所述电源的实际输出电压确定所述第一仿真电源；
根据所述感性负载存储的电能确定所述第二仿真电源。
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