CN112507538B - 一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电气工程领域，具体涉及一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法。包括步骤一：MOS管等效电路仿真参数的确定；步骤二：MOS管开关瞬态和稳态功率损耗的确定；步骤三：确定印刷板仿真参数、建立温度场仿真模型；步骤四：动态优化算法确定最优元器件布局及印刷版温升；步骤五：确定印制板温升是否满足设计要求；步骤六：如果印制板温升是否满足设计要求，则完成固态功率控制器设计；如果印制板温升是否满足设计不满足要求，则需要更改设计、采取其他散热手段，返回到步骤三中。一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法完成对固态控制器结构布局优化设计，降低印制板温升，提高控制器运行可靠性。

Description

一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体涉及一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法。
背景技术
随着航天配电系统功率等级的提升和MOSFET等半导体器件的制造工艺提高，对配电功率控制器的带载容量和可靠性要求也日益提高。目前对固态功率控制器的设计多关注于电性能设计及稳态条件下的温升及功耗的降额设计，使固态功率控制器满足要求环境温度范围下的可靠使用。但此种设计方法考虑条件较为单一，采用公式计算稳态条件下温升的方法也无法准确反映固态功率控制器在开关过程中的瞬态损耗及温升情况。
发明内容
为解决背景技术中提到的缺陷，本发明展示了一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法。
为实现上述目的，现提供技术方案如下：
一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法，
包括步骤一：MOS管等效电路仿真参数的确定；
步骤二：MOS管开关瞬态和稳态功率损耗的确定；
步骤三：确定印刷板仿真参数、建立温度场仿真模型；
步骤四：动态优化算法确定最优元器件布局及印刷版温升；
步骤五：确定印制板温升是否满足设计要求；
步骤六：如果印制板温升是否满足设计要求，则完成固态功率控制器设计；如果印制板温升是否满足设计不满足要求，则需要更改设计、采取其他散热手段，返回到步骤三中。
进一步的，步骤一中采用多项式拟合的方法得到与MOSFET开关特性相关的参数，包括阈值电压和导通电阻；采用回路振荡法确定驱动回路和负载回路的寄生电感值。
进一步的，步骤二中通过建立固态功率控制器的电路物理模型，包括控制模块和功率模块，控制模块包括功率MOSFET驱动电路、过流保护和短路保护，功率模块包括电源和负载部分；通过改变负载参数，得到仿真阻性、容性和感性负载条件下MOSFET的开关特性，进而得到瞬态开关过程中的功率损耗，如以下公式所示，
Figure BDA0002803251370000021
式中，Pmos为开通过程MOS管损耗；C为容性负载的电容值，在容性负载条件下开通时产生的浪涌电流为MOS管最大损耗的情况；R为负载电阻；U为控制器额定电压；ton为MOS管开通时间；UD为二极管导通压降；
稳态工况下MOS管的功率损耗如以下公式所示，
Figure BDA0002803251370000022
式中，Ron为MOS管导通电阻。
进一步的，根据建立的电路等效模型计算得到瞬态和稳态条件下MOS管功率损耗，并将计算结果代入到固态功率控制器的仿真计算中，完成电路与温度场的耦合，具体计算过程如下，
建立固态功率控制器印制板模型时，需要考虑到不同材料属性对导热的影响，印制板的主要由导电金属材料铜和绝缘材料环氧树脂构成，铜一般以铜线、焊盘和过孔等形式存在，分布较为复杂，将整个印制板等效成具有切向与法向导热系数的均匀材料，导热系数的计算公式如下：
Figure BDA0002803251370000023
Figure BDA0002803251370000024
式中，kq为切向导热系数；ki为第i层的有效导热系数；di为第i层的敷铜厚度；dt为印制板总厚度；kf为法向导热系数；
根据公式中得到的印制板等效导热系数建立模型，并将电路仿真中得到的MOSFET损耗代入热仿真模型中，固态功率控制器的散热方式主要为热传导，将宇宙空间作为散热热沉，其温度控制方程如下：
Figure BDA0002803251370000031
式中，T为温度场计算中某点的温度值；k为材料导热系数；P为热损耗功率；S为热损耗处的截面积。
进一步的，通过对温度场控制方程的求解即可得到固态功率控制器的整板温度分布，以此为依据进行印制板布局与结构的优化，选取动态优化算法确定印制板上元器件的最优化布局方案，降低温升，提高电路的可靠性，布局优化所求解的决策变量为元器件坐标，约束条件为印制板整体尺寸，动态优化算法的最优解可近似为：
Figure BDA0002803251370000032
式中，f(x)为目标优化函数，x为优化变量；A为简化的Hessian矩阵；i为迭代优化的第i步；通过动态优化算法得到元器件最优布局和印制板整体温升，进而得到固态功率控制器的最优设计。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法，该方法将控制器电路仿真和温度场仿真相耦合，电路仿真得到瞬态开关过程和稳态运行条件下的功率损耗，将电路损耗代入到温度场仿真中得到不同工况和电路布局下的控制器印制板温度分布，并以此为依据完成对固态控制器结构布局优化设计，降低印制板温升，提高控制器运行可靠性。
附图说明
图1为基于场路耦合的固态功率控制器设计方法流程图；
图2为等效电路图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明技术方案，下面结合附图对本发明技术方案进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法，
包括步骤一：MOS管等效电路仿真参数的确定；
步骤二：MOS管开关瞬态和稳态功率损耗的确定；
步骤三：确定印刷板仿真参数、建立温度场仿真模型；
步骤四：动态优化算法确定最优元器件布局及印刷版温升；
步骤五：确定印制板温升是否满足设计要求；
步骤六：如果印制板温升是否满足设计要求，则完成固态功率控制器设计；如果印制板温升是否满足设计不满足要求，则需要更改设计、采取其他散热手段，返回到步骤三中。
步骤一中采用多项式拟合的方法得到与MOSFET开关特性相关的参数，包括阈值电压和导通电阻；采用回路振荡法确定驱动回路和负载回路的寄生电感值。
步骤二中通过建立固态功率控制器的电路物理模型，包括控制模块和功率模块，控制模块包括功率MOSFET驱动电路、过流保护和短路保护，功率模块包括电源和负载部分；通过改变负载参数，得到仿真阻性、容性和感性负载条件下MOSFET的开关特性，进而得到瞬态开关过程中的功率损耗，如以下公式所示，
Figure BDA0002803251370000041
式中，Pmos为开通过程MOS管损耗；C为容性负载的电容值，在容性负载条件下开通时产生的浪涌电流为MOS管最大损耗的情况；R为负载电阻；U为控制器额定电压；ton为MOS管开通时间；UD为二极管导通压降；
稳态工况下MOS管的功率损耗如以下公式所示，
Figure BDA0002803251370000042
式中，Ron为MOS管导通电阻。
如图2，根据建立的电路等效模型计算得到瞬态和稳态条件下MOS管功率损耗，并将计算结果代入到固态功率控制器的仿真计算中，完成电路与温度场的耦合，具体计算过程如下，
建立固态功率控制器印制板模型时，需要考虑到不同材料属性对导热的影响，印制板的主要由导电金属材料铜和绝缘材料环氧树脂构成，铜一般以铜线、焊盘和过孔等形式存在，分布较为复杂，将整个印制板等效成具有切向与法向导热系数的均匀材料，导热系数的计算公式如下：
Figure BDA0002803251370000051
Figure BDA0002803251370000052
式中，kq为切向导热系数；ki为第i层的有效导热系数；di为第i层的敷铜厚度；dt为印制板总厚度；kf为法向导热系数；
根据公式中得到的印制板等效导热系数建立模型，并将电路仿真中得到的MOSFET损耗代入热仿真模型中，宇航中应用的固态功率控制器的散热方式主要为热传导，将宇宙空间作为散热热沉，其温度控制方程如下：
Figure BDA0002803251370000053
式中，T为温度场计算中某点的温度值；k为材料导热系数；P为热损耗功率；S为热损耗处的截面积。
通过对温度场控制方程的求解即可得到固态功率控制器的整板温度分布，以此为依据进行印制板布局与结构的优化，选取动态优化算法确定印制板上元器件的最优化布局方案，降低温升，提高电路的可靠性，布局优化所求解的决策变量为元器件坐标，约束条件为印制板整体尺寸，动态优化算法的最优解可近似为：
Figure BDA0002803251370000054
式中，f(x)为目标优化函数，x为优化变量；A为简化的Hessian矩阵；i为迭代优化的第i步；通过动态优化算法得到元器件最优布局和印制板整体温升，进而得到固态功率控制器的最优设计。
以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明的任何形式的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下利用上述揭示的方法和内容对本发明做出的许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于场路耦合的固态功率控制器的设计方法，其特征在于，
包括步骤一：MOS管等效电路仿真参数的确定；
采用多项式拟合的方法得到与MOSFET开关特性相关的参数，包括阈值电压和导通电阻；采用回路振荡法确定驱动回路和负载回路的寄生电感值；
步骤二：MOS管开关瞬态和稳态功率损耗的确定；
通过建立固态功率控制器的电路物理模型，包括控制模块和功率模块，控制模块包括功率MOSFET驱动电路、过流保护和短路保护，功率模块包括电源和负载部分；通过改变负载参数，得到仿真阻性、容性和感性负载条件下MOSFET的开关特性，进而得到瞬态开关过程中的功率损耗，如以下公式所示，
Figure FDA0003870823170000011
式中，Pmos为开通过程MOS管损耗；C为容性负载的电容值，在容性负载条件下开通时产生的浪涌电流为MOS管最大损耗的情况；R为负载电阻；U为控制器额定电压；ton为MOS管开通时间；UD为二极管导通压降；
稳态工况下MOS管的功率损耗如以下公式所示，
Figure FDA0003870823170000012
式中，Ron为MOS管导通电阻；
步骤三：确定印刷板仿真参数、建立温度场仿真模型；
根据建立的电路等效模型计算得到瞬态和稳态条件下MOS管功率损耗，并将计算结果代入到固态功率控制器的仿真计算中，完成电路与温度场的耦合，具体计算过程如下:
建立固态功率控制器的印制板模型时，需要考虑到不同材料属性对导热的影响，印制板的材料包括导电金属材料的铜和绝缘材料的环氧树脂，铜以铜线、焊盘和过孔的形式存在，将整个印制板等效成具有切向与法向导热系数的均匀材料，导热系数的计算公式如下：
Figure FDA0003870823170000013
Figure FDA0003870823170000021
式中，kq为切向导热系数；ki为第i层的有效导热系数；di为第i层的敷铜厚度；dt为印制板总厚度；kf为法向导热系数；
根据公式中得到的印制板等效导热系数建立模型，并将电路仿真中得到的MOSFET损耗代入热仿真模型中，固态功率控制器的散热方式包括热传导方式，将宇宙空间作为散热热沉，其温度控制方程如下：
Figure FDA0003870823170000022
式中，T为温度场计算中某点的温度值；k为材料导热系数；P为热损耗功率；S为热损耗处的截面积；
步骤四：动态优化算法确定最优元器件布局及印刷版温升；
通过对温度场控制方程的求解即可得到固态功率控制器的印制板模型的温度分布，以此为依据进行印制板布局与结构的优化，选取动态优化算法确定印制板模型上元器件的最优化布局方案，降低温升，提高电路的可靠性，布局优化所求解的决策变量为元器件坐标，约束条件为印制板整体尺寸，动态优化算法的最优解可近似为：
Figure FDA0003870823170000023
式中，f(x)为目标优化函数，x为优化变量；A为简化的Hessian矩阵；i为迭代优化的第i步；通过动态优化算法得到元器件最优布局和印制板整体温升，进而得到固态功率控制器的最优设计；
步骤五：确定印制板温升是否满足设计要求；
步骤六：如果印制板温升是否满足设计要求，则完成固态功率控制器设计；如果印制板温升是否满足设计不满足要求，则需要更改设计、采取其他散热手段，返回到步骤三中。
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