Содержание к диссертации
Введение 7
1. Модели мощных диодов и определение их параметров 14
1.1 Однозвенная кусочно-линейная модель диода и определение ее параметров 16
Однозвенная кусочно-линейная модель 16
Анализ выключения по кусочно-линейной модели 17
Определение параметров кусочно-линейной модели 18
Расчет характеристик выключения по кусочно-линейной 19
модели 19
1.2. Однозвенная нелинейная модель диода и определение ее параметров 20
Однозвенная нелинейная модель 20
Определение параметров нелинейной модели 21
Расчет выключения по нелинейной модели 22
Однозвенная (встроенная) PSpice-модель 23
Определение параметров PSpice-модели в Model Editor 24
1.3. Двухзвенная кусочно-линейная модель диода и определение ее параметров 25
Двухзвенная кусочно-линейная модель 25
Анализ выключения по двухзвенной кусочно-линейной модели 27
Определение параметров кусочно-линейной модели 27
1.4. Двухзвенная нелинейная модель диода и определение ее параметров 28
Двухзвенная нелинейная модель 28
Расчет выключения по двухзвенной нелинейной модели 31
1.5. Двухзвенная PSpice-модель диода и определение ее параметров 33
Двухзвенная PSpice-модель 33
Двухзвенная PSpice-модель фирмы Infineon 34
Расчет выключения по двухзвенной PSpice-модели 35
Сравнение энергии выключения по двухзвенной и однозвенной модели 40
1.6. Выводы по главе 41
2. Модели биполярных транзисторов и определение их параметров 42
2.1. Кусочно-линейная модель биполярного транзистора и определение параметров 45
Кусочно-линейная модель 45
Анализ по кусочно-линейной модели. Включение биполярного транзистора 47
Анализ по кусочно-линейной модели. Выключение биполярного транзистора. ...49
Определение параметров кусочно-линейной модели 51
2.2 Передаточная модель биполярного транзистора 53
Передаточная модель 53
Определение параметров передаточной модели 54
2.2.3.Характеристики передаточной модели 55
2.3. Модифицированная передаточная модель биполярного транзистора и определение
параметров 56
2.3.1. Описание модифицированной передаточной модели 56
2.3.2.0пределение параметров модифицированной передаточной модели 57
2.3.3. Характеристики модифицированной передаточной модели 57
2.4. PSpice-модель биполярного транзистора 59
2.4.1 PSpice-модель 59
2.4.2. Определение параметров PSpice-модели 60
2.4.3.Характеристики модели Гуммеля-Пуна 60
Определение параметров PSpice-модели в Optimizer 61
Определение параметров PSpice-модели мощного высоковольтного биполярного транзистора 7 62
2.5 Выводы по главе 64
3.1 Нелинейная модель МДП-транзистора 67
Нелинейная модель 67
Определение параметров нелинейной модели 69
Расчет по нелинейной модели и сопоставление результатов 70
3.2 Кусочно-линейная модель МДП-транзистора и определение ее параметров 73
Кусочно-линейная модель 73
Анализ коммутационных процессов в ключе с резистивной нагрузкой 74
Определение параметров кусочно-линейной модели 77
3.3 Реализация различных аппроксимаций нелинейной емкости затвор-сток в PSpice 78
Встроенная в PSpice-модель 78
Модель емкости фирмы Siemens и ее параметры 80
Модель емкости фирмы International Rectifier и ее параметры 82
Модель емкости фирмы OnSemiconductor и ее параметры 83
Модель емкости с применением функции дифференцирования DDT 84
Модель емкости фирмы Infineon и определение ее параметров 86
3.4. Модифицированная PSpice-модель МДП-транзистора 90
Модифицированная PSM МДПТ 90
Методика определения параметров средствами PSpice 91
3.4.3 Определение параметров MPSM МДПТ по экспериментальным данным 92
3.5. Модель МДП-транзистора с теплозависимыми параметрами 97
Описание теплозависмой модели МДП-транзистора 101
Определение параметров теплозависимой модели 103
3.6 Выводы по главе 104
4. Работа мощных МДП —транзисторов на токовую нагрузку 105
Численный анализ коммутационных процессов МДП-транзистора при работе на токовую нагрузку по нелинейной и кусочно-линейной моделям 105
Аналитический анализ коммутационных процессов МДП-транзистора при работе на токовую нагрузку по кусочно-линейной модели 110
Анализ коммутационных процессов МДП-транзистора семейства CoolMOS при работе на токовую нагрузку в PSpice 114
Анализ коммутационных процессов в экспериментальной схеме 119
Выводы по главе 121
5. Модели биполярных транзисторов с изолированным затвором и определение их
параметров 123
Встроенная в PSpice-модель БТИЗ 123
Составная PSpice-модель БТИЗ 125
5.2 Кусочно-линейная модель БТИЗ и определение ее параметров 127
Кусочно-линейная модель (КЛМ) 127
Работа БТИЗ на токовую нагрузку 128
Определение параметров кусочно-линейной модели .' 130
5.3. Составная PSpice-модель БТИЗ и определение ее параметров 131
Определение параметров составной PSpice-модель БТИЗ в МС 131
Определение параметров PSpice-модели БТИЗ в Optimizer 132
5.3.3. Определение параметров модели БТИЗ по экспериментальным данным 133
5.4 Выводы по главе 140
6. Практическое применение методов моделирования 142
6.1. Расчет цепей формирования траектории рабочей точки транзисторов 145
6.2. Расчет параметров моделей тепловых цепей 154
Модель тепловой цепи 154
Определение параметров тепловой цепи в МС 157
Определение параметров тепловой цепи с помощью PSpice Optimizer 158
6.3 Применение теплозависимой модели с обратной тепловой связью для расчета пиковой
температуры ключа на МДП транзисторе 159
6.4. Примеры расчета потерь в компонентах ключевого источника электропитания 162
Общее описание КИП...: 162
Расчет установившегося режима в стабилизаторе напряжения 163
Расчет потерь в силовых компонентах стабилизатора напряжения 172
Расчет установившегося режима в корректоре коэффициента мощности 176
Имитационный расчет потерь в силовых компонентах корректора коэффициента мощности 179
Аналитический расчет потерь в полупроводниковых компонентах корректора коэффициента мощности при помощи справочных зависимостей 180
6.5. Выводы по главе 186
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 187
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 188
Приложение 1.1 Определение параметров кусочно-линейной модели 196
Приложение 1.2 Определение параметров нелинейной модели 197
Приложение 1.3 Определение параметров Pspice-модели в Model Editor 198
Приложение 1.4 Анализ выключения по двухзвенной кусочно-линейной модели 199
Приложение 1.5 Определение параметров двухзвенной кусочно-линейной модели 203
Приложение 1.6 Справочные данные диода HFA08TB60 204
Приложение 1.7 Справочные данные диода MR826 205
Приложение 1.8 Справочные данные диода MUR860 207
Приложение 1.9 Модель ЕшСоп диода IDD03E60 от Infineon 208
Приложение 2.1. Определение параметров кусочно-линейной модели 210
Приложение 2.2. Определение параметров передаточной модели 212
Приложение 2.3 Характеристики модифицированной передаточной модели 214
Приложение 2.4. Определение параметров модифицированной передаточной модели. ..215
Приложение 2.5. Определение параметров Pspice-Модели 219
Приложение 2.6. Определение параметров Pspice-Модели в Optimizer 220
Приложение 2.7. Определение параметров Pspice модели мощного высоковольтного
биполярного транзистора 222
Приложение 2.8. Параметры различных моделей TIP41В 224
Приложение 2.9. Первоначальные параметры для определения параметров модели
высоковольтного транзистора MJ16110 в Optimizer 225
Приложение 2.10. Некоторые справочные данные транзистора TIP41 225
Приложение 2.11. Некоторые справочные данные транзистора МЛ 6110 226
Приложение 3.1 Определение параметров нелинейной модели МДПТ 228
Приложение 3.2 Определение параметров кусочно-линейной модели 231
Приложение 3.3 Методика определения параметров средствами PSpice 232
Приложение 3.4. Определение параметров теплозависимой модели 233
Приложение 3.5. Параметры модели фирмы International Rectifier 1RFP460 из стандартной
библиотеки pwrmos.lib 234
Приложение 3.6. Параметры модели IRFP460 из ME 235
Приложение 3.7. Параметры модели mtw8n60 из ME ". 236
Приложение 3.8. Параметры модели buz91 из ME 237
Приложение 3.9. Параметры усовершенствованной модели SPP11N60C2 из МС 238
Приложение 3.10. Параметры усовершенствованной модели Spb80n03s21 из МС 240
Приложение 3.11. Некоторые справочные данные транзистора MTW8N60 241
Приложение 3.12. Некоторые справочные данные транзистора IRF460 243
Приложение 3.13. Некоторые справочные данные транзистора BUZ91 244
Приложение 3.14. Некоторые справочные данные транзистора SPP11N60C2 247
Приложение 3.16. Некоторые справочные данные транзистора SPP11N60C3 252
Приложение 4.1 Аналитический анализ коммутационных процессов МДП-транзистора
при работе на токовую нагрузку по кусочно-линейной модели 258
Приложение 5.1 Определение параметров кусочно-линейной модели БТИЗ 263
Приложение 5.2 Определение параметров составной моделив МС 264
Приложение 5.3 Определение параметров PSpice модели БТИЗ в Optimizer 266
Приложение 5.4 параметры транзистора IRGBC30F из стандартной библиотеки 269
Приложение 5.5 модель International Rectifier транзистора IRG4PC50F 269
Приложение 5.6 Некоторые справочные данные транзистора IRGBC30F 270
Приложение 5.7 Некоторые справочные данные транзистора IRG4PC50U 273
Приложение 6.1 Определение параметров тепловой модели в МС 275
Приложение 6.2 Определение параметров тепловой модели с помощью Pspice Optimizer.
Приложение 6.3 Pspice-программа для анализа работы корректора коэффициента
мощности 277
Приложение 6.4 Pspice-программа для анализа работы стабилизатора напряжения 280
Введение к работе
Актуальность темы.
При анализе и проектировании преобразовательных устройств (ПУ) обычно проводят следующие виды расчетов: расчет статических характеристик (выходных, передаточной, регулировочной), спектральный (гармонический) анализ (спектр входного тока, выходного напряжения); расчет переходных процессов (реакция ПУ на быстрые изменения питания, тока (или сопротивления) нагрузки, процесс выхода на режим; расчет частотных характеристик и анализ устойчивости; расчет режимов работы компонентов (прежде всего силовых электронных ключей, трансформаторов, дросселей), включая расчет коммутационных процессов (процессов переключения силовых транзисторов и диодов) расчет средних, действующих и максимальных значений токов, максимального напряжения, пиковой и средней за период мощности и т.д.; расчет пиковой и средней за период температуры перехода силовых ключей; расчет КПД ПУ.
При необходимости все виды расчетов должны быть проделаны с учетом разброса номиналов параметров (допусков) компонентов и для заданного диапазона температуры окружающей среды и с учетом саморазогрева компонентов (за счет выделяющейся в них мощности).
Расчет режимов работы компонентов не возможен без анализа коммутационных процессов. Особенно важен этот вид анализа на высоких частотах для расчетов пиковых значений токов и температуры и вклада коммутационных потерь в общую мощность потерь. Практически во всех работах по ПУ [6], [35], [37], [38], [39], [40], [42], коммутационные процессы или совсем не учитываются или приводятся упрощенные фо рмулы для коммутационных потерь. В большинстве случаев при записи этих формул считается, что токи и напряжения ключей изменяются линейно, паразитные реактивности не учитываются, а времена переключения считаются не зависимыми от режима и берутся из справочных данных, что не соответствует действительности.
С развитием технологий времена переключения силовых ключей уменьшаются, и в настоящее время скорость изменения токов ключей может достигать единиц и более ампер за наносекунду, а скорость изменения напряжения — десятков вольт за наносекунду. При этом необходимо учитывать паразитные параметры схемы (индуктивности выводов и монтажные емкости), что увеличивает порядок системы решаемых уравнений и сильно затрудняет анализ коммутационных процессов аналитическими методами.
В простых схемах (с одним-двумя силовыми ключами) коммутационный анализ возможен и при помощи численно-аналитических методов в математических системах (МС) например MathCad (MCD). В реальных ПУ коммутационный анализ возможен только с применением автоматизированных систем схемотехнического моделирования, таких как Multisim, Microcap, Oread и др. Из этих систем Oread является наиболее эффективным [19], к тому же туда входит модуль PSpice (для расчетов переходных процессов) Model Editor (для определения параметров моделей компонентов), модуль Optimizer, (позволяющий проводить оптимизацию несложных устройств) и
др.
Вместе с PSpice поставляются встроенные модели компонентов, а в библиотеке PSpice приводятся значения параметров этих моделей для большого числа типов компонентов. Однако в литературе [5], [7], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15] имеются сведения, что эти модели и их значения параметров не всегда адекватно описывают характеристики компонентов.
Под моделью следует понимать совокупность математических выражений (систем, уравнений, неравенств) или соответствующая схема с рядом функциональных зависимостей. Под параметрами модели следует понимать численные значения коэффициентов, используемых в этих выражениях. Каждый индивидуальный компонент отличается набором этих параметров. Естественно, что расчетные характеристики определяются как математические зависимостями модели, так и их коэффициентами (параметрами), и чтобы изме-
нить характеристики нужно менять или параметры, или функциональные зависимости, или в отдельных случаях и то и другое.
В последние годы фирмы изготовители вместе со справочными данными на свои компоненты стали выкладывать в Интернет усовершенствованные PSpice-модели в виде подсхем (вместе с набором параметров). В известной литературе [5], [7], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]. нет сведений о том, насколько адекватно такие модели описывают характеристики компонентов и как определять их параметры. Разработка методики определения их параметров является актуальной проблемой.
Некоторые из новых моделей производителей чересчур «физичны», и разобраться в них, с целью подстройки параметров, бывает невозможно [11], [12]. В некоторых случаях расхождения расчетных характеристик с типовыми справочными носят качественный характер. В этих случаях необходимо модифицировать модели, меняя существующие зависимости, или строить новые модели с новыми зависимостями. В настоящее время существует потребность в «гибких» моделях, характеристики которых могут быть достаточно быстро и просто приспособлены под быстро изменяющиеся технологии изготовления полупроводниковых приборов [28], [30].
На коммутационные потери большое влияние оказывают схемы управления ключами, а также цепи формирования траектории рабочей точки (ЦФТРТ) или снабберы, которые широко используются для уменьшения коммутационных потерь в силовых ключах. Если анализу и расчету схем управления в литературе [38, 40, 47, 51] уделяется достаточно много внимания, то этого нельзя сказать о снабберах. Поэтому, разработка методики расчета номиналов элементов снабберов, является актуальной проблемой.
При моделировании процессов в ПУ большой интерес представляет температура перехода, не только средняя (статическая), но и пиковая температура ключей, так как основным критерием работоспособности электронного компонента является нахождение температуры кристалла в пределах максимально
допустимой. Зависимости параметров компонентов от температуры среды хотя и заложены в их встроенные PSpice-модели, но значения соответствующих параметров не настроены и методика такой настройки не описана. При расчете пиковой температуры необходимо учитывать разогрев компонента собственной мощностью (саморазогрев), для чего необходимо иметь соответствующие модели. Некоторые фирмы (например, Infineon) для отдельных типов своих компонентов дают такие модели, однако для остальных типов нужно определять параметры этих моделей или строить свои модели и определять их параметры по справочным данным. В работе [13] описана динамическая темпера-турозависимая модель, однако, методика определения тепловых параметров является актуальной и неисследованной проблемой.
При PSpice-моделировании коммутационных процессов в реальных ПУ возникают трудности, связанные с тем, что для получения достоверных результатов необходимо проводить расчеты с шагом много меньшим длительностей этапов коммутации. С учетом того, что стационарный (установившийся) режим устанавливается в ПУ за несколько десятков периодов коммутации (за много сотен периодов при тепловом моделировании), прямое PSpice-моделирование может потребовать недопустимо больших затрат машинного времени и оперативной памяти (десятки минут и сотни мегабайт соответственно). В известной литературе отсутствуют сведения о том, как решать такие задачи.
Таким образом, можно заключить, что анализ и моделирование коммутационных процессов в ПУ, в том числе в транзисторных преобразователях напряжения, является актуальной проблемой. Цель работы.
Целью работы является анализ существующих моделей силовых компонентов, усовершенствование и разработка новых моделей, разработка методики расчета и моделирования коммутационных процессов в транзисторных преобразовательных устройствах. Задачи исследования
Изучение имеющихся моделей силовых компонентов и выявление их недостатков;
Исследование возможностей кусочно-линейных моделей и проведение аналитических расчетов с их применением;
Усовершенствование имеющихся и, при необходимости, разработка новых моделей силовых компонентов, в том числе моделей, учитывающих саморазогрев компонентов выделяющейся мощностью;
Изучение и разработка методов определения параметров этих моделей, определение параметров моделей рассмотренных видов;
Расчет коммутационных процессов в диодных и транзисторных ключах с резистивной и индуктивной нагрузками, учет влияния паразитных параметров;
Расчеты коммутационных процессов (в том числе определение по
терь мощности) в практических схемах преобразователей напряжения,
разработка методики таких расчетов.
Методы исследования.
В процессе исследования применялись следующие методики.
Для определения параметров математических моделей компонентов применялась математическая система MathCad, пакет Model Editor системы Oread и пакет Optimizer системы Oread. Использовались также методы Булириш-Штера для решения систем дифференциальных уравнений в МС, использовалось численное обращение операторных выражений для расчета параметров тепловых цепей. При схемотехническом моделировании, (в том числе при анализе коммутационных процессов) использовался пакет PSpice системы Oread в режиме расчета переходных процессов.
Достоверность полученных результатов определяется применением известных компьютерных систем MathCad и Oread, и подтверждается совпадением расчетных, справочных и экспериментальных характеристик.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
Проведенный анализ кусочно-линейных моделей позволил разработать методики определения динамических параметров моделей компонентов при помощи системы MathCad по справочным характеристикам;
Предложена методика определения параметров модели тепловой цепи двумя методами: с помощью системы Mathcad и программы параметрической оптимизации Optimizer;
Предложена методика численно-аналитического расчета коммутационных процессов в силовых ключах с учетом влияния паразитных ин-дуктивностей;
Усовершенствованы нелинейные модели диода, БТ, МДПТ и БТИЗ. Модели использованы для расчетов коммутационных процессов в ключах при помощи системы MathCad;
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
Предложенные Pspice-модели диода, БТ, МДПТ, БТИЗ позволяют более адекватно проводить схемотехническое моделирование транзисторных преобразователей;
С помощью установки созданной на кафедре промышленной электроники получены экспериментальные статические и переходные характеристики некоторых экземпляров МДПТ и БТИЗ и предложена методика определения параметров моделей по этим характеристикам;
Предложенная методика теплового PSpice-моделирования компонентов позволяет проводить расчет средней и пиковой температуры с учетом эффекта саморазогрева;
Разработанная методика определения динамических и статических потерь в компонентах была опробована при моделировании двух узлов ключевого источника питания (200W Demoboard фирмы Infineon): стабилизатора напряжения с синхронным выпрямлением и корректора коэффициента мощности.
Внедрение результатов работы.
Полученные в ходе диссертационной работы результаты (методики определения параметров моделей силовых компонентов и методики расчетов статических и динамических потерь в компонентах) используются в учебном процессе на кафедре промышленной электроники в дисциплинах «Ключевые источники электропитания», «Анализ дискретных схем», а также при выполнении студентами курсовых расчетов и дипломных проектов.
Результаты работы (расчет тепловых цепей, методы измерения коммутационных потерь) используются при разработке источников вторичного электропитания на предприятие ОАО «НЛП ЭлТом» (п. Томилино Моск. обл.).
Апробация работы
Основные результаты работы отражены в семи печатных работах и в двух тезисах докладов на восьмой и одиннадцатой научно-технических международных конференциях студентов и аспирантов по направлению «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2001-2004гг. (МЭИ).
