基于溫升效應(yīng)影響的直流變換器性能仿真

周 克，王 霄，鄧 豪

(1. 茅臺學(xué)院釀酒工程自動化系，貴州 遵義 564507；2. 貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 引言

電動汽車行業(yè)是我國國家新能源戰(zhàn)略的一個重點方向，該行業(yè)的發(fā)展可以有效減少傳統(tǒng)汽車的碳排放量，減少石化能源對大氣的污染。作為電動汽車的動力來源，充電設(shè)施承擔(dān)著將普通市電轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵貎δ艿闹匾巧８鶕?jù)充電設(shè)施的分類，主要有交流充電設(shè)施和直流充電設(shè)施。其中直流充電設(shè)施由于功率不大，占地面積較小，對外部的電源點要求較低，而得到大規(guī)模的使用。對于直流充電設(shè)施，通常希望其能夠以恒壓恒流的模式進行工作，整個充電過程貼近原有電池特性，這就要求直流充電設(shè)施在制造時，對元器件的選擇以及電路的設(shè)計提出了較高的要求。

常用直流充電裝置主要由濾波電路、整流電路、斬波電路、穩(wěn)壓電路等部分構(gòu)成，其中斬波電路承擔(dān)了直流電源變換的主要任務(wù)，是直流充電設(shè)施中設(shè)計的關(guān)鍵。直流電源的變換主要分為升壓變換和降壓變換，分別對應(yīng)將某一參考電壓升壓至某一需要的電壓點或降低到某一需要的電壓點。直流變換的原理主要通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值，因此也稱為斬波電路。

針對斬波電路的研究，其研究方向主要有關(guān)于電路控制策略的研究；分析電路開關(guān)器件損耗及設(shè)計選型的研究，這類研究主要通過分析直流開關(guān)器件MOSFET的損耗模型，考慮在損耗的情況下，電路參數(shù)的選擇及優(yōu)化。這些研究為直流變換器的設(shè)計優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)能量守恒，開關(guān)器件的損耗將轉(zhuǎn)化為熱能，并通過一定的方式輻射出去。影響電路的性能。文獻[11-12]分別研究了IGBT器件、SiC MOSFET器件受溫度的影響下，開關(guān)性能以及靜態(tài)性能的變化規(guī)律，并進行了驗證。然而，這些研究文獻的研究焦點以溫度對開關(guān)器件自身性能的影響為主，沒有涉及到對整體電路性能的影響分析。有鑒于此，本文選取使用廣泛的同步BUCK直流變換器作為研究對象，針對電路中受溫升影響的開關(guān)器件進行建模，并將模型應(yīng)用于直流變換器電路中，研究溫升問題對于整體電路性能以及對應(yīng)的控制信號的影響。

2 Buck電路損耗分析

同步Buck變換器，是指利用兩個獨立的驅(qū)動器驅(qū)動上下橋臂 MOSFET開關(guān)器件，采用互補導(dǎo)通的方式實現(xiàn)了BUCK變換器功能，被廣泛應(yīng)用于提供低電壓、大電流的電路中。變換過程中的主要損耗都來自于MOSFET(簡稱VM管)，但由PWM控制時，占空比的不同，導(dǎo)致上下兩臂的工作時間不同，VM管的上下管損耗也不同。對于降壓輸出的Buck電路，由于輸入電壓高于輸出電壓，因此占空比比較小，導(dǎo)致上管的導(dǎo)通時間明顯小于下管的導(dǎo)通時間，導(dǎo)通損耗大部分由下管引起，相對于下管而言，上管的主要損耗是器件的開關(guān)損耗。

圖1 同步Buck變換器

通常，MOSFET損耗主要包含通態(tài)電阻損耗、導(dǎo)通過程發(fā)生的損耗、關(guān)閉過程發(fā)生的損耗、柵極驅(qū)動損耗以及二極管的續(xù)流損耗幾種。一般情況下，MOSFET的截止損耗功率、驅(qū)動損耗功率所占的比例極小，可以在討論中忽略。因此MOSFET器件的損耗主要由通態(tài)電阻損耗和開關(guān)兩種損耗構(gòu)成，其中通態(tài)電阻損耗與MOSFET的結(jié)溫、開關(guān)的占空比以及通態(tài)電流有關(guān)；而開關(guān)損耗的主要與寄生電容、結(jié)溫、集電極電流以及開關(guān)頻率等因素有關(guān)。

通態(tài)電阻損耗是在MOSFET器件在導(dǎo)通時，回路電流流過器件自身的內(nèi)阻時，所產(chǎn)生的功率損耗，由歐姆定理可知，此時MOSFET的源級與漏級之間的電壓，可根據(jù)式(1)計算

V

=

R

I

(1)

式中，

V

和

I

分別為通態(tài)時MOSFET的漏源電壓和通態(tài)電流，

R

為通態(tài)時的電阻，該值是由結(jié)溫、通態(tài)電流共同確定的變量，通常從廠家提供的Datasheet中可以找到。通態(tài)電阻損耗可由下式計算

(2)

式中，

α

為占空比，由PWM控制器控制，T為絕對溫度。圖2為MOSFET開啟過程曲線，由該曲線可知，MOSFET導(dǎo)通過程損耗集中在

t

～

t

階段。

圖2 MOSFET開啟曲線

在

t

～

t

階段，

V

保持不變，電流近似線性增加至滿載電流

I

。在

t

～

t

階段，

V

近似線性下降，滿載電流

I

保持不變，

MOSFET

導(dǎo)電溝道逐漸形成，此時導(dǎo)通過程損耗為

P

=0

.

5

V

I

(

t

-

t

)

f

(3)

f

為開關(guān)的頻率。同理，在同步BUCK變換器中，下臂MOSFET的通態(tài)電阻損耗如下

(4)

下橋臂 MOSFET開啟過程

t

～

t

階段，導(dǎo)電溝道處于關(guān)閉狀態(tài)，電流全部通過體二極管續(xù)流。

t

～

t

階段，

V

與體二極管續(xù)流電壓

V

幅值相等，MOSFET溝道電流 線性增加與體二極管的續(xù)流電流維持 MOSFET總滿載電流

I

不變。

t

～

t

階段隨著 MOSFET溝道的開啟，

V

電壓由

V

線性降低至

R

I

，此時 MOSFET完全導(dǎo)通，開啟過程損耗

P

如下

P

=

V

I

(

t

-

t

)

f

+

V

I

(

t

-

t

)

f

+0

.

5(

V

+

I

R

)

I

(

t

-

t

)

f

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

(9)

C

=

C

1-

C

(10)

(11)

在上述公式中，

C

，

C

分別為柵極與源極，柵極與漏極之間的寄生電容；

R

、

R

1分別為外部串接的柵極電阻和內(nèi)部的柵極電阻。漏源電壓

V

()、輸出電容

C

()、反向傳輸電容

C

()均為廠家數(shù)據(jù)手冊中提供的額定參數(shù)。

C

1、

C

分別為器件的輸入電容和反向傳輸電容。

V

()為設(shè)計時的電源電壓。

V

、

V

()分別為柵極的開啟電壓和米勒平臺電壓，其數(shù)值可以通過查找廠家提供的

I

-

V

曲線按著下面的公式進行計算

(12)

(13)

其中

I

1=

K

(

V

1-

V

())，

K

為與器件相關(guān)的常數(shù)。

在圖1所示的電路中，二極管的損耗主要也是由通態(tài)損耗和開關(guān)損耗兩部分構(gòu)成，其中通態(tài)損耗是指二極管在通態(tài)下，由于承受的正向電壓和電流，該電流在二級管內(nèi)阻上做功產(chǎn)生，其數(shù)值可以由式(14)計算

(14)

(15)

(16)

二級管的另外一個損耗為開關(guān)損耗，二級管在開通時，將承受較高的導(dǎo)通電壓，經(jīng)過

t

時間后，降低為二級管固有的正向壓降，在開通的期間二級管產(chǎn)生的損耗為

P

=0

.

5

f

I

(

U

-

U

0)

t

(17)

其中

U

為二級管導(dǎo)通時承受的最高電壓，該值可從二級管廠商提供的Datasheet中獲得。

3 溫升機理

同步直流變換器在工作過程中的損耗，在密閉空間中，將以熱量的形式存在，進而導(dǎo)致MOSFET發(fā)生溫升的問題，其溫度的變化受多種因素的影響，如圖3所示。

圖3 溫升模型

如器件的體積、器件的封裝方式、以及氣流循環(huán)等。為了精確計算損耗帶來的溫升問題，文獻[15，16]從電路的角度，通過引入熱阻的概念建立了熱阻等效電路。熱量在熱流路徑上遇到的阻力即為熱阻，其反映了介質(zhì)之間的傳熱能力，表示1W的能量所能引起的溫升大小。熱阻和功率損耗以及溫升的關(guān)系式為

R

=Δ

T/P

(18)

在電路分析中，可以將MOSFET 的各部分損耗功率作為電流源對待；將熱阻作為等效電阻對待，而將溫升效應(yīng)對應(yīng)于等效電壓，便可得到圖4所示的熱阻等效電路模型。

圖4 熱阻等效電路

在圖4 中，

T

和

T

分別為 MOSFET 和二極管的結(jié)溫，Tc，Ts分別為MOSFET的殼溫和散熱器溫度，

Ta

為環(huán)境溫度；

P

和

P

分別為MOSFET和二級管產(chǎn)生損耗的等效電流源。

R

和

R

分別為 MOSFET 和二極管硅片至外殼間的熱阻；

R

為器件外殼至大氣間的熱阻；

R

為管殼與散熱器之間的熱阻，

R

為散熱器與環(huán)境之間的熱阻。由此等效電路，可得到各點的溫度。在上述等效電路中，MOSFET內(nèi)部的熱阻和二級管的內(nèi)阻可以從MOSFET以及二級管提供的Datasheet獲取，本文選取的1XFH88N30PMOSFET器件和二級管DPG60C400HB的熱阻參數(shù)如表1所示：

表1 MOSFET與二級管的熱阻參數(shù)

4 仿真模型

根據(jù)上述損耗以及溫升機理模型，在Matlab環(huán)境下，利用Simscap工具箱中的組件，搭建如圖5所示的溫升仿真模型。在該模型中，考慮到實際的熱傳遞情況，結(jié)點與殼體之間的熱傳遞方式為傳導(dǎo)方式；殼體與散熱器之間的熱量關(guān)系為熱交換的形式，在參數(shù)配置中，需要接觸面積，器件封裝尺寸以及器件出廠時的各部分的溫度測試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一旦在確定了器件的型號后，便可從廠方提供的Datasheet中獲得，模型主要參數(shù)配置如表2所示。

表2 溫升模型參數(shù)配置

圖5 溫升仿真模型

運行該模型，可以得到圖6 所示的不同時間點的溫度變化曲線。

圖6 溫升仿真結(jié)果

從圖6的變化曲線中，可以看出，下橋臂的最高溫度比上橋臂要高，這與文章前面的分析一致，因為下橋臂的導(dǎo)通時間長，通態(tài)損耗大。由圖6可知，器件的最高溫度為420K左右，該溫度對應(yīng)的攝氏溫度大約為150℃左右，同時各部分的溫度都與廠家提供的變化曲線接近，說明該溫度模型能夠表示真實器件內(nèi)部溫度的變化，仿真模型有效。

將完成的溫升仿真模型進行Mask封裝，以方便后續(xù)Buck變換器建模時的調(diào)用。根據(jù)同步Buck變換器的工作原理，搭建圖7所示的電路模型仿真圖。該電路模型完成直流30V電源變?yōu)橹绷?5V降壓電路功能。通過在MOSFET開關(guān)器件中加入溫升變化成分，研究溫升對變換電路的影響，主要仿真參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)配置

圖7 同步Buck變換器仿真模型

在圖7的電路中，模擬熱源1，2分別代表溫升效應(yīng)的上橋臂、以及下橋臂的影響；

PWM

控制用來產(chǎn)生

MOSFET

管柵極開關(guān)信號，可變負(fù)載模塊模擬周期變化的外界負(fù)載，

PI

控制用來實現(xiàn)電路的閉環(huán)控制，以確保輸出電流的質(zhì)量。

圖8 輸出電壓與PWM控制信號對應(yīng)圖

圖8為輸出電壓與控制信號之間的對應(yīng)關(guān)系圖。從圖中可以看出，當(dāng)

PWM

控制信號為高電平時，

MOSFET

開關(guān)管導(dǎo)通，在輸出端輸出15

V

的電平，由于穩(wěn)壓電容

C

的存在，使輸出可以穩(wěn)定在15

V

左右，僅在每次

PWM

控制信號變化時，輸出電壓有小幅變動，該變動在±3

%

的范圍內(nèi)進行波動。同時對于

PWM

信號，理想的控制信號源輸出硬是矩形波，但實際的輸出波形具有一定的拖尾性，這是因為實際的電子元器件是達(dá)不到理想的開關(guān)特性；此外，從

PWM

控制信號可以看出，模型的占空比是小于1的數(shù)，這與前面的理論分析相一致。

圖9是分別仿真了有溫升效應(yīng)和無溫升效應(yīng)的輸出對比。

圖9 有無溫升效應(yīng)輸出對比

從圖中可以看出，當(dāng)不考慮溫升效應(yīng)時，仿真模型輸出的電壓值較考慮了溫升效應(yīng)的模型要高。這是因為由于溫度的升高，導(dǎo)致開關(guān)器件的內(nèi)阻增大，由歐姆定理可知，對于串聯(lián)電路，內(nèi)阻的增大意味著電路中流過的電流將減小；對于負(fù)載，由于其電阻不變，電流減小，因此導(dǎo)致負(fù)載上的電壓(輸出電壓)有所下降，所以在實際電路中的設(shè)計，為了保證輸出電壓的恒定，需要增加穩(wěn)壓的設(shè)計。

為了研究溫度的升高對開關(guān)器件開啟電壓的影響，文章仿真了不同的工作條件下

MOSFET

開啟電壓曲線，如圖10，11所示。對比圖10，圖11中的柵極開啟電壓(

Gate

-

source

voltage

)可以看出，在不考慮溫升效應(yīng)時，柵極開啟電壓較考慮了溫升效應(yīng)的柵極開啟電壓要高，這主要是由于溫度的升高加快了電子在器件內(nèi)部的流動所致，從而只要較小的開啟電壓就可以工作。從圖10，11可以看出，除了對柵極的開啟電壓有比較明顯影響外，溫升效應(yīng)對器件的其它方面不明顯。

圖10 無溫升下的開啟電壓電流

圖11 有溫升下的開啟電壓電流

圖12展示了溫升效應(yīng)對外界控制信號需求的變化。在圖12中，(1)表示無溫升情況下，外部控制信號的情況，(2)表示有溫升的情況。對比圖12中的(1)，(2)可知，溫度的升高，致使器件的開啟電壓變低，所需的控制信號有所減小，控制信號的持續(xù)時間有所縮短。

圖12 溫升對控制信號的影響

5 結(jié)論及建議

文章選取同步直流變換器中的

MOSFET

開關(guān)器件作為研究對象，推導(dǎo)了開關(guān)器件的功率損耗計算方法以及熱阻等效電路，針對開關(guān)器件的結(jié)溫、外殼溫度以及散熱器溫度的傳導(dǎo)方式和變化規(guī)律在

Matlab

環(huán)境下搭建了

MOSFET

的溫升模型，借助該模型研究了同步

BUCK

直流變換器的輸出以及控制信號受到的影響，仿真結(jié)果表明，文章提出的溫升模型可以正確模擬開關(guān)器件的溫度變化曲線；開關(guān)器件的溫升將會使開關(guān)器件內(nèi)阻變高，柵極開啟電壓下降，輸出電壓變小；對

PWM

控制信號要求較正常情況下有所降低。在

BUCK

變換器的設(shè)計中，可以借助該模型的仿真結(jié)果，輔助修正

BUCK

變換器中確定電感

L

和平滑電容

C

的大小，也可用于反饋控制器的設(shè)計。該溫升模型還可用于其它功率變換器的設(shè)計中，用于精校電路中的參數(shù)選擇。