基于多软件联合的开关电源电热耦合仿真方法与流程

技术特征：

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，建立起可用于SABER软件仿真的器件电热模型，并添加到元器件模型库中；

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；

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。、

2.如权利要求1所述的方法，其中，开关电源中最主要的功率半导体器件是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET，上述电热耦合模型是肖特基二极管和N沟道功率MOSFET两类器件的电热耦合模型。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤1)中，等效电路模型和结构Ansoft有限元模型创建后，根据变压器的材料属性，施加电流激励，线圈与磁芯加绝 缘边界条件，整个仿真模型加球形边界条件，设定执行参数后进行自适应求解，先对模型进行涡流场计算，得到阻抗矩阵，提取除分布电容外的所有其他等效参数；然后对模型进行静电场计算，得到各分布电容值。

4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2)中，VFB为势垒压降，RD为掺杂漂移区电阻，RS、RC分别为基底电阻和接触电阻，在正向偏置条件下，肖特基二极管导通电流为：

$I_F=\frac{4{\mathrm{\πmqk}}^2{T}^2}{h^3}\exp \left(\frac{q(V_{FB}-{\mathrm{\φ}}_B)}{kT}\right)---\left(1\right)$

式中，φ_B为势垒高度，T为绝对温度，q为单电子电荷量，k为波尔兹曼常数，m为电子质量，h为普朗克常数，势垒压降为：

$V_{FB}={\mathrm{\φ}}_B+\frac{kT}{q}ln\left(\frac{h^3{I}_F}{4{\mathrm{\πmqk}}^2{T}^2}\right)---\left(2\right)$

与漂移区导通电阻R_D相比，基底电阻R_S和接触电阻R_C较小，忽略不计，肖特基二极管的导通压降为：

$V_D=V_{FB}+I_F{R}_D={\mathrm{\φ}}_B+\frac{kT}{q}ln\left(\frac{h^3{I}_F}{4{\mathrm{\πmqk}}^2{T}^2}\right)+I_F{R}_D---\left(3\right)$

对上式关于电流I_F求微分，则肖特基二极管的等效导通电阻为：

$R_{sp}=\frac{{\mathrm{dV}}_D}{{\mathrm{dI}}_F}=\frac{kT}{q}\left(\frac{1}{I_F}\right)+R_D---\left(4\right)$

其中，导通电阻随温度升高而增大，但当导通电流I_F很大时，导通电阻近似等于R_D，不再随导通电流I_F增大而增大；

漂移区导通电阻R_D为

$R_D=\frac{4V_B^2}{{\mathrm{\ϵE}}_c^3{\mathrm{\μ}}_n}---\left(5\right)$

式中，V_B为击穿电压，E_c为击穿电场，μ_n为电子迁移率，R_D随温度的变化由电子迁移率μ_n的温度特性描述。

5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤2)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：

$R_{on}\left(T_j\right)=k\·\frac{R_{on}\left(T_0\right)}{v_{gs}-V_{th}}\·{\left(\frac{T_j}{T_0}\right)}^r---\left(6\right)$

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(TO247封装取2.65)。

6.如权利要求1所述的方法，其中，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

$KP\left(T\right)=KP\left(T_0\right)\×{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{NKP}---\left(8\right)$

表面电势PHI(T)与温度的关系为

$PHI\left(T\right)=PHI\left(T_0\right)\·\frac{T}{T_0}-\frac{3k_b\·T}{q}\·ln\left(\frac{T}{T_0}\right)-E_g\left(T_0\right)\·\frac{T}{T_0}+E_g\left(T\right)---\left(9\right)$

纵向临界电场UCRIT(T)与温度的关系为

$UCRIT\left(T\right)=UCRIT\left(T_0\right)\×{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{UCEX}---\left(10\right)$

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。