[发明专利]基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真分析方法，可用于开关电源等电力电子产品的质量特性分析、优化设计等领域。本发明给出了开关电源中高频变压器等效建模及分布参数提取方法、功率半导体器件(包括肖特基二极管和N沟道功率MOSFET)的电热耦合建模方法、基于iSIGHT平台的多软件联合方法；最终，本发明的仿真方法以iSIGHT平台软件为核心，集成ANSYS的热仿真模型、Ansoft的电磁仿真以及SABER的电路仿真，同时还可考虑元器件的退化效应，实现开关电源的电热耦合集成仿真分析。

主权项

1.基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法，包括以下步骤：1)高频变压器等效模型及分布参数提取根据高频变压器的结构类型，建立考虑分布参数的等效电路模型和结构Ansoft有限元模型，利用有限元模型进行涡流场仿真和静电场仿真，分别得到阻抗矩阵和容抗矩阵，再从中提取出等效电路模型中的参数；2)功率半导体器件的电热耦合模型根据肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的动态特性方程，明确两类器件的关键特性参数与温度的关系，给出两类器件动态损耗的计算方法和计算公式；在此基础上，将确定的元器件参数、温度与功耗的关系通过MAST语言编程，建立起用于SABER软件仿真的器件电热模型，并添加到元器件模型库中；MOSFET的功率损耗随温度变化而变化，导通电阻R_on随温度变化的数学模型为：式中，T_j为MOSFET的结温(K)，系数k＝V_gs‑V_th，V_gs为T₀＝300K温度下的栅源电压，r为常数；3)开关电源电路仿真模型的构建根据高频变压器等效模型以及肖特基二极管和N沟道功率MOSFET的器件电热模型，采用SABER软件建立开关电源的电路仿真模型，其中，元器件的基础温度设定为27℃，完成SABER软件的仿真设置，执行一次仿真运行，得到电路的参数化网表.sin文件和数据文件，供其他软件调用；在SABER模型中，功率MOSFET的其他主要特性参数与温度的关系采用如下的方程描述，阈值电压V_th(T)与温度T的关系为：V_th(T)＝V_th(T₀)‑TCVTO×(T‑T₀)   (7)跨导KP(T)与温度的关系为表面电势PHI(T)与温度的关系为纵向临界电场UCRIT(T)与温度的关系为式中，E_g为带隙激活能，且k_b为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，TCVTO为阈值电压温度系数，NKP为跨导温度指数，UCEX为纵向临界电场温度指数；4)开关电源稳态传热仿真模型的构建利用ANSYS软件建立开关电源的结构模型和稳态传热模型，分别设置元器件及PCB板的材料属性，划分网格，各元器件的生热率由电路仿真功耗与等效体积求得；5)对开关电源电、热模型进行集成，构建开关电源电热耦合模型。