半導體激光器驅動源功率器件的建模與仿真

辛德勝，張劍家，張萌萌，張宏臣

(長春理工大學 高功率半導體激光器國家重點實驗室，吉林 長春130022)

隨著半導體激光器輸出功率的不斷提高，其應用領域越來越廣泛。而激光二極管泵浦固體激光器(DPL)是半導體激光器的重要應用之一，它具有效率高、壽命長、結構緊湊及高穩定性的特點，因此它在軍事及民用領域有著廣闊的應用前景。事實上在一些應用場合，特別是軍事應用中對整機效率及體積提出了更高的要求。而半導體激光器驅動源的高效率及小型化是整機小型化的關鍵問題之一。

利用計算機仿真技術對半導體激光器驅動源進行優化設計是實現其小型化的主要途徑之一。目前，小信號電路的計算機仿真優化設計技術已趨于成熟。但大功率電源電路的計算機仿真優化設計技術仍然有著一系列問題需要解決，而功率器件的建模是其主要問題之一［1］。大功率半導體激光器驅動源具有低電壓、大電流和恒流輸出的特點。通常DPL 中的大功率半導體激光器由陣列半導體激光器構成。半導體激光器的結電壓為2 V 左右，陣列半導體激光器的供電電流達上百至幾百安培。大電流使半導體激光器驅動源的功率輸出器件的功耗增加、溫度升高，溫度的升高又進一步導致功率器件的功耗增大。為了模擬半導體激光器驅動源功率器件的實際工作狀態，計算機仿真只建立功率器件的電學模型是不夠的，應建立包含熱學模型在內的金屬—氧化物—半導體場效應晶體管(MOSFET)模型，只有這樣才能真正地反映功率器件的實際工作狀態。

1 MOSFET 的建模

MOSFET 功率耗散主要包含阻性損耗和開關損耗兩部分。由于DPL 半導體激光器驅動源的功率輸出級的工作頻率較低，因此開關損耗通常可以忽略，所以MOSFET 的功率耗散很大程度上取決于它的導通電阻Ron.但是MOSFET 的Ron與它的結溫Tj有關［2］。而Tj又依賴于MOSFET 的功率耗散以及MOSFET 的熱阻Zt.因此，在PSPICE 中建立含有熱模型的MOSFET 模型，來描述驅動源電參數變化時MOSFET 導通電阻的變化。

1.1 MOSFET 的熱模型

熱模型的建立是根據MOSFET 的熱傳導過程來實現的。功率MOSFET 器件中的功耗是以熱傳導的形式從結處逐漸向外部散發出來的。根據熱傳導方程與電學中的傳導方程的相似性，可以用一個電學模型來等效地模擬熱量的傳導過程，并用電學上的物理量來表征熱傳導過程中相應的物理量。熱學物理量同電學量之間有如下的對應關系:溫度T(K)對應電壓U(V);熱流量Φ(W)對應電流I(A);熱阻Rt(K/W)對應電阻R(Ω);熱容Ct(J/K)對應電容C(F).

根據上述對應關系，只要找到一個電學上的級聯RC 網絡就能等效表示出熱傳導的瞬態響應。

MOSFET 的熱傳導過程如圖1所示。

圖1 MOSFET 的熱傳導過程Fig.1 MOSFET thermal conduction process

在圖1中，將MOSFET 從結處開始至導熱外殼分為若干層。Rt是熱阻，Ct是熱容，Tj表示結溫，Tc表示殼溫。這樣就可以用電學上的級聯RC 網絡得出MOSFET 的等效熱模型，如圖2所示。

圖2 RC 網絡等效的熱模型Fig.2 Equivalent RC network thermal model

其中Rt和Ct的具體值要根據器件手冊中的Zt曲線來取定。MOSFET 所產生的功耗送給等效熱模型，結點Tj處的電壓反映了瞬態結溫的信息，可以表征結溫，并且此信息將直接改變MOSFET 中的溫度TMOSFET這一獨立變量。

MOSFET 中的瞬態熱阻可以完整地表示出器件的熱學特性，因此通過它就能夠反映出功耗隨時間及結溫的變化。瞬態熱阻Zt(t)可以用(1)式表示［3］。

式中:P1為功耗初始值;Tj1為靜態初始結溫。

在給出P1和Tj1后，即可帶到(2)式中，用來迭代計算隨時間變化的結溫Tj(t).

結溫變化反過來影響漏極電流Id，

式中:TMOSFET表示溫度，是全局變量;Idi是經過1∶1緩沖的漏極電流。

1.2 包含熱模型的MOSFET 模型

根據1.1 節描述的熱模型，通過模擬行為模型(ABM)形式［4］，在PSPICE 中實現功率MOSFET 熱模型和電學模型的相關聯，結果如圖3所示。為了清晰，圖中只給出了相關的模型符號。ABM 是PSPICE 中的一種特殊模型，它容許根據傳輸函數對電學器件有一個靈活的表示方式，該表示方式給出了輸入輸出的關系，可以用表格或公式的形式進行描述，也可以用數學表達式的形式進行描述，特別是它容許定義參數的依賴性。從ABM 模型庫中分別調出相依電壓源和相依電流源。

圖3 包含熱模型的功率MOSFET 的PSPICE 模型Fig.3 PSPICE model with thermal model of power MOSFET

如圖3放置并分別命名為E_Rd，E_Vth，E_di，其中E_di作為一個1∶1 緩沖壓控電源，(3)式作為Id的輸入輸出關系表達式，(1)式作為動態熱阻Zt的輸入輸出關系表達式［5］。閾值電壓Vth也受溫度的影響，其表達式為

耦合到熱模型中的功耗表達式為

這樣，熱模型就成功地與電學模型耦合到了一起，在熱模型中Tcase 和Tamb 兩端引出至熱沉，可以做散熱片的相關仿真。

從制造商提供的MOSFET 數據手冊中可得到傳輸特性，反向二極管特性，熱網絡特性等信息。利用這些信息就可以建立這種包含熱模型的PSPICE模型，這種模型能反映MOSFET 在瞬變過程中任何給定時刻的平均溫度。從而給出電路中電氣特性和熱特性之間的動態關系。

2 仿真結果

首先，使用原始模型對半導體激光器驅動源進行仿真。半導體激光器驅動源電參數為脈沖寬度200 μs，輸出電流115 A.其結果如圖4所示，驅動源輸出波形為一個較好的矩形脈沖。

圖4 原始模型仿真的輸出波形Fig.4 Output waveform of original model simulation

將上述所建模型放入高功率半導體激光驅動源電路中進行仿真分析，得到仿真結果如圖5所示。

圖5 含熱模型仿真的輸出波形Fig.5 Output waveform of thermal model simulation

3 實驗驗證

根據仿真電路制成驅動源實驗裝置，該實驗裝置供電電壓為直流27 V，采用美國泰克數字示波器(500 MHz)測量了DPL 驅動源的輸出波形(如圖5)，它是在取樣電阻兩端取得的電壓信號(其取樣電阻阻值為0.025 Ω)，電壓峰值為2.7 V，輸出信號脈寬為219.2 μs，頻率為20 Hz.

圖6 電路實測波形Fig.6 Circuit measured waveform

顯然，所建模型的仿真結果與真實波形具有很好的一致性，較準確地反映了MOSFET 的工作情況。

4 結論

本文將仿真與建模技術相結合，建立了包含熱模型的功率MOSFET 的PSPICE 模型，同時融合了DPL 驅動源系統與其功率執行級的設計優化與仿真分析，采用新建模型對激光器驅動源進行了仿真優化，并對優化前后的驅動源輸出波形進行了比較，驗證了優化后的驅動源的功率耗散大大降低。將裝置的測試結果與建模仿真輸出結果進行了比較，2 者比較符合，證明所建的PSPICE 功率MOSFET 模型是正確的，該仿真與建模方法對實際電路的制作具有指導意義。

References)

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［3］Akira Hiroki，Shinji Odanaka，Kikuyo Ohe，et al.A mobility model for submicrometer MOSFET simulations including hot-carrier-induced device degradation［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，1988，35(9):1487 -1493.

［4］賈新章，武岳山.電子路CAD 技術——基于ORCAD 9.2［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.JIA Xin-zhang，WU Yue-shan.The CAD technique of electronic circuits——ORCAD 9.2［M］.Xi'an:Xidian University Press，2002.(in Chinese)

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