基于iSIGHT平台的开关电源电热耦合仿真方法

摘 要：为了实现开关电源性能特性的精确仿真分析，需要考虑温度与元器件之间的电热耦合效应，否则将无法准确模拟电源真实工作状态。提出一种基于iSIGHT平台的开关电源电热耦合建模与仿真分析方法。采用有限元仿真方法提取高频变压器分布参数，建立等效电路模型；分析功率半导体器件工作特性受温度的影响关系，建立肖特基二极管和功率MOSFET的电热耦合仿真模型。以某开关电源为对象，分别建立电路仿真模型和稳态热场仿真模型，采用iSIGHT对电、热仿真过程进行集成，实现电热耦合仿真数据的自动化交互。该电热耦合仿真方法提高了电、热特性的仿真精度，可精确描述开关电源的性能特性与下位特性参数的关系，为产品优化设计提供了准确有效的手段。

关键词：开关电源；电热耦合；高频变压器；电路仿真；温度仿真

DOI：10.15938/j.emc.（编辑填写）

中图分类号：TP202+.1 文献标识码：A 文章编号：

Abstract： In order to obtain accurate performance simulation of switching mode power supply （SMPS）， the electro-thermal coupling effect between temperature and components should be considered. Ignoring electro-thermal coupling effect may cause the simulation inaccuracy of SMPS. This paper proposed a novel method of SMPS electro-thermal coupling modeling and simulation analysis based on iSIGHT platform. The equivalent circuit model of high-frequency transformer is established， and the parasitic parameters are extracted based on finite element analysis. Then the relationship between characteristics of power semiconductor components and temperature is analyzed， and the electro-thermal models of Schottky diode and power MOSFET are established. Based on these models， a SMPS is carried out as an example， the circuit simulation model and the steady thermal field simulation are accomplished， then iSIGHT platform is utilized to assemble electric simulation， thermal simulation， and automated data interaction of electro-thermal coupling simulation. The electro-thermal coupling simulation method can improve the simulation precision of the electric and thermal characteristics， and describe the performance characteristics accurately. It provides another way for product optimization design.

Keywords：switching mode power supply； electro-thermal coupling； high-frequency transformer switching； circuit simulation； thermal simulation

0 引 言

由于对高功率密度、高集成、高可靠等日渐需求，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，很少考虑温度与功耗的耦合影响；即在稳态温度下进行的仿真分析中，元器件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[1]。忽略电热耦合效应将无法准确模拟电路的真实工作状态，最终可能导致电路不可靠。

目前，常用的电热仿真方法主要是通过所搭建的仿真电路反映功率器件的电热特性，并利用仿真软件（如SABER和PSpice）获取功率器件的结温，结温计算精度较高[2 - 4]。该方法中电、热模型分开建模求解，并定时交换温度和功耗数据，直到电热特性都收敛到稳定值。这种耦合方法中，热模型采用有限元方法求解，计算的温度分布精度高，但消耗的计算时间也会比直接法长[5]。此外，一些文献利用迭代法计算功率器件结温，但是相关研究还非常少。文献[6]将迭代法引入到三相变流器功率器件工频周期平均结温的计算中，但迭代算法的应用主要是为了考虑器件电热耦合关系，其计算方法和过程比较简单，不能反映功率器件工频周期完整的热循环。研究人员大多采用一维等效热网络预测功率器件的结温。

Miquel等人对DC/DC电源模块进行了电热耦合仿真，主要考虑MOSFET和肖特基二極管的电热耦合作用。采用Flotherm软件求解热场分布，采用VHDL-AMS模型求解元器件的功率损耗，仿真数据采用手动方式进行交互[5]。Rosa Ciprian等对100W汽车用DC/DC开关电源进行了电热仿真，采用Coolit软件建立电源结构模型并计算了温度分布，其中元器件的功耗通过MATLAB计算得到，通过四次迭代计算得到各元器件的稳态温度[7]。Hui Zhang根据SiC肖特基二极管和JFET的静态和动态特性，分别建立了SiC肖特基二极管和JFET的电热耦合模型，并分别研究了其在风力电能变换、混合电动车等领域的应用[8]。新加坡国立大学针对电力电子标准模块（Power Electronics Building Block，PEBB）提出了一种动态电热耦合建模方法，利用MTALAB程序计算IGBT模块的工作损耗，采用COMSOL计算传热特性，进而得到管芯到外部环境的热阻RC网络[9]。

胡安针对功率IGBT提出了一种改进的电热模型。该模型的基本原理与已有方法类似，重点是对模型参数的提取，对瞬态开关过程影响较大的载流子寿命参数采用实验方法提取，而对影响相对较小的参数则根据经验公式计算求得[10 - 11]。重庆大学杜雄针对NPT型IGBT电热仿真模型的工作原理进行了分析，将模型参数分为电参数和热参数两类，并分别总结了电热仿真模型参数的提取方法[12]。并以风电变流器可靠性评估为背景，提出一种基于电热比拟理论的IGBT模块结温计算方法，并通过迭代算法计算了IGBT模块的工频周期结温[13 - 14]。

综上可见，电力电子器件及系统的电热耦合建模与仿真主要应用于对功率器件结温和动态特性的分析。国内在电力电子系统的电热耦合建模与仿真方面研究相对较少，且主要针对IGBT功率器件，缺乏服务于电路优化设计的实际应用。针对于此，本文提出基于iSIGHT平台的开关电源电热耦合仿真方法，以iSIGHT平台为核心，集成多种成熟的商业化专业软件，尽量发挥各软件的优势。这一个过程中，最为关键的是高频变压器的等效模型和功率半导体器件的电热耦合模型。

1 高频变压器等效建模

高频变压器是开关电源中的核心部件，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。本文以常用的单端反激变压器为例，设磁芯主磁通为Φ，变压器原、副边的磁链分别为 和 ，励磁电感为Lmag，电流i1在原边绕组产生的漏磁链为 ，电流i2在副边绕组产生的漏磁链为 。当同时考虑变压器原、副边绕组电阻RAC1、RAC2时，则原、副边绕组的端电压分别为

（1）

其中， ， 分别为漏磁链 ， 所产生的漏感，RC为表示磁芯损耗的等效电阻。随着开关频率和电压等级的提高，分布电容的影响会增加，为此需要同时考虑高频变压器分布电容的影响，在图1中，C1为原边绕组的分布电容，C13和C24表示原边与副边绕组不同接线端之间的分布电容。

创建仿真模型后，施加电流激励，线圈与磁心加绝缘边界条件，整个仿真模型加球形边界条件。先进行涡流场计算，得到阻抗矩阵，提取除分布电容外的其他等效参数；然后进行静电场计算，得到各分布电容值。为验证仿真方法的准确性，利用LCR表、功率测量仪和函数发生器对变压器进行实际测试，测量条件为65kHz@1V，其中变压器电感的理论设计值为1.4mH。表1为该变压器模型参数的仿真与测试结果对比，最大相对误差为7.52%。

2 功率半导体器件的电热耦合模型

2.1功率肖特基二极管电热耦合模型

功率肖特基二极管采用金属与半导体表面接触形成势垒的非线性特性制成，具有较好的开通和关断特性。图3为肖特基二极管的结构及等效电路，VFB为势垒压降，RD、RS、RC分别为掺杂漂移区电阻、基底电阻和接触电阻。

由图4和图5可知，所建立的模型同时考虑了功率二极管的正向导通和反向恢复过程，能够准确描述开关瞬态特性，仿真与实测结果的相对误差为3.75%。

2.2功率MOSFET的电热耦合模型

在电力电子电路中，功率MOSFET主要工作在开关状态，因此其功率损耗与其动态开关过程紧密相关。图6为N沟道功率MOSFET的等效电路。

3 基于iSIGHT平台的电热耦合仿真

3.1开关电源的电路仿真模型

本文采用SABER软件建立开关电源电路的仿真模型。电路建模形成的参数化网表.sin文件很容易被iSIGHT软件调用。根据原理图建立的该开关电源电路仿真模型如图9所示。

3.2开关电源的温度场仿真模型

开关电源热仿真建模主要包括几何建模、网格划分、载荷及边界条件施加。其中元器件的功率损耗通过电路仿真模型仿真获得。图10为建立的开关电源几何模型，结构部件的材料属性如表2所示。

3.3利用iSIGHT对开关电源电热仿真集成

本文以iSIGHT平台为核心，集成ANSYS的热仿真、Ansoft的电磁仿真以及Saber的电路仿真，实现开关电源的电热集成仿真分析。图11为基于iSIGHT平台的开关电源电热耦合仿真原理。

在仿真设计过程中，首先由Ansoft软件计算出高频变压器等效电路模型中的L、C、R等参数，输入到Saber电路模型中。Saber模型构成完整的电路网络，进而仿真获得开关电源的输出响应及各元器件的功率损耗。将元器件功耗变换为热源的生热率，加载到Ansys热模型中进行稳态热仿真，得到PCB板上热场的分布。提取各元器件的工作温度，再依据元器件的电热耦合模型得到该温度下元器件的性能参数，更新Saber模型的电路模型继续仿真。以此迭代计算，直至连续两次的仿真温度差小于设定阈值，此时，便可以得到开关电源电路响应及稳态温度的精确值。另外，由于元器件的性能参数在产品使用过程中会发生退化效应，因此，在此仿真平台下，根据元器件的性能退化模型，还可仿真得到开关电源在寿命周期内的性能退变过程。图12为基于iSIGHT平台的开关电源电热耦合仿真流程。

4 电热耦合仿真的实验验证

考虑电热耦合效應的建模与仿真，可更准确的获取开关电源的工作特性，包括电学特性和热学特性，为后续的优化设计提供准确的仿真手段。本节从开关电源的电学特性和热学特性两个方面对仿真结果进行对比验证。本文所用开关电源输入电压为220VAC，输出为700mA恒流，额定负载为200Ω，其额定输出功率为98W。

4.1 电学特性仿真结果验证

开关电源电学仿真的准确性主要体现在其输出特性和开关管的动态特性上，为此，将关键节点仿真波形与实测波形比对，来验证仿真结果的准确性。本节将仿真得到的MOSFET驱动波形、漏源电压波形以及二极管反向电压与实测值进行对比，如图13～15所示。可见，仿真波形与实测波形基本一致，开关频率的相对误差为3.2%，MOSFET驱动电压的相对误差为4.5%，占空比的相对误差为3.6%。

4.2 热学特性仿真结果验证

图17为仿真得到的温度分布图，温度最高点为中间部位的功率电阻R4，达到112.63℃。图18为采用IR928型非接触红外热像仪在相同条件下实测的温度分布情况，最高温度为116.2℃。表3为开关电源中主要部件的热学特性仿真与实测的对比结果，可以看出，大部分器件温度仿真精度均有不同程度的提高。与以往热仿真相比，采用电热耦合仿真得到的温度分布更加准确，最大相对误差由8%降到了4.3%。

5 结论

本文考虑了元器件的电热耦合效应，建立了开关电源的电热耦合仿真模型。该仿真模型以iSIGHT为核心，集成了SABER、ANSYS等软件，目的在于准确模拟开关电源的实际工作特性，为优化设计提供研究手段。

（1） 建立了高频反激变压器的等效电路模型，采用有限元仿真提取了模型参数，并与实测结果进行了比较，最大误差不超过7.52%。分析了功率半导体器件的电热耦合效应，明确了肖特基二极管和功率MOSFET的关键特性参数与温度的关系，并建立了相应的电热耦合仿真模型。通过与实测数据的对比表明，两模型的平均相对误差分别为3.75%和4.63%。

（2） 以某型号开关电源为例，分别用SABER建立了电路仿真模型，用ANSYS建立了稳态热场仿真模型，并在iSIGHT下对电、热仿真过程进行了集成，实现了开关电源工作状态的准确模拟。实测与仿真结果的对比验证表明，相比非耦合仿真，采用电热耦合仿真得到的结果更加准确，其中，开关频率的相对误差为3.2%，MOSFET驱动电压误差为4.5%，占空比误差为3.6%，温度分布的最大相对误差由8%降到了4.3%，尤其针对其中的发热严重器件，能够更为准确的仿真获得其工作温度，为产品可靠性热设计乃至与故障预测提供更为可靠的分析手段。

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