在设计功率转换器时，能够正常的使用仿真模型在多个设计维度之间进行权衡。使用有源器件的简易开关模型能够直接进行快速仿真，带来更多的工程洞见。然而，与制造商精细的器件模型相比，这种简易的器件模型无法在设计中提供与之相匹敌的可信度。本文探讨了

  在开发功率转换器时，通常会在理论和可行性研究期间，进行数字仿真。其仿真模型需要包含模拟电路和相应的数字控制器。通过该模型，可以解答如下设计问题（示例）：

  o技术和额定电压（例如，英飞凌的OptiMOS™或CoolMOS™）和材料（例如，Si、SiC或GaN）？

  -可研究系统效率与EM兼容性的权衡。开关损耗和EMI都取决于开关频率和功率开关斜率。

  SPICE仿真工具是电路设计人员的首选解决方案。然而，相关设计步骤取决于能否在合理的时间内，仿真功率转换器。诸如Simscape™ Electrical™等电路仿真工具，就具有理想的器件模型，加上开关损耗数据，能够完全满足有效仿真需求。此外，与Simulink®的紧密结合，意味着数字控制器也包涵在此仿真内，无需协同仿真。然而，开关的理想假设会给后续以确定效率和微调设计为重点的设计步骤，带来某些不确定性。而利用由器件制造商开发的、精细的SPICE器件模型，可以应对这种不确定性。本文定义了一个流程，可以在快速探索设计空间的同时，利用精细的工厂SPICE器件模型。本流程的核心在于，利用具有多个不同可信度水平的模型，以匹配具体设计问题有待解决的模型。另外重要的一点在于，利用低可信度水平，预初始化精细仿真模型，这样做才能够缩短初始化时间。

  图1显示的是本文作为示例使用的48V/12V DC/DC降压转换器。降压转换器将输入电压（V_IN）降至低的输出电压（V_OUT），用于表征其行为的主要等式见下：

  基于参考电压（V_ref）和测得的输出电压（V_meas），使用离散时间比例+积分电压控制器计算所需的占空比（d）。

  SPICE仿真器是最常用的模拟电路仿真技术，因此，作为事实上的行业标准，很多半导体制造商都为自己的产品开发了SPICE模型，以便为电路设计提供支持。

  英飞凌的车规级OptiMOS™功率MOSFET产品组合，树立了20V-300V范围内的质量标杆，提供了多种封装和低至0.55 mΩ的Rds(on)。英飞凌经典的MOSFET SPICE模型结构见图2。该MOSFET模型[1]描述了功率开关的电气特性和热特性。

  该模型反应流经MOSFET的电流导致半导体的气温变化，进而影响MOSFET的电气参数，例如，电荷载流子迁移率、电压阈值、漏极电阻、栅漏电容和栅源电容。参考图2，热行为按照以下方式建模：代表MOSFET耗散功率的电流源（Pv）将热量注入PN结（Tj），然后，热量通过MOSFET封装一直传送到外壳（Tc）。接着，将热动力学建模为，由集总热阻（Rthi）和热电容（Cthi）组成的Cauer网络。然后，通过对热模型进行模拟仿真，根据给定的设计参数（例如，负载电流、最大允许结温（Tj）、环境和温度（Tamb）和PCB的层厚/层数（Rth PCB和Cth PCB），确定最佳冷却/散热器。

  MathWorks的Simscape[5]提供了框图环境，来模拟多域系统（包括电气、机械、磁和热）。随附的Simscape语言使用微分方程、相关代数约束、事件和模式图，来表达基础物理特性。

  Simscape™ Electrical[6]可以将目标SPICE器件模型（例如，MOSFET）导入Simscape中[7]。Simscape与Simulink的密切集成，使得单一求解器可以对数字控制器和模拟电子设备做仿真，与在不同的仿真工具之间进行协同仿真相比，这种仿真更加高效。

  SPICE的模型导入能力，可用于将英飞凌IAUT300N08S5N012[2][4]器件（见图3）导入到Simscape中。导入到Simscape后，为了提供从已发布模块中访问Cauer模型状态的权限，我们对Simscape代码进行了少许编辑。进行流程初始化时，需要出示自定义的内部状态访问权限。

  将英飞凌器件导入Simscape后，下一步是创建完整的转换器Simulink模型，这中间还包括已导入的英飞凌器件、剩余模拟器件和控制器。如图4所示。

  控制器是通过Simulink离散时间库模块实现的，整个模型使用可变步长求解器进行仿真，以便能够准确地捕获与寄生效应和MOSFET电荷模型有关的较快时间常数。在运行R2021b MATLAB的Intel® Core™ i7-9700 CPU @ 3.00GHz上，一个控制器PWM周期的仿线秒。这个速度足以分析当前工作状态下的电路性能，但无法评估电路敏感性，以用于设计参数扫描或直接优化电路参数。而且这个速度无法仿真到周期稳态——即10秒左右热时间常数，相当于20万个20kHz PWM周期。

  MOSFET器件模型被替换为理想开关，其固定的导通电阻依据数据手册Rds(on)值设定。参见图5。还忽略了某些较快的寄生效应，例如，MOSFET的引线电感。该系统级模型具有固定的温度，用户为假定的结温设定一个适当的Rds(on)值即可。该模型仿真一个PWM周期，需要大约0.05秒，比精细模型要快46倍。由于没有热时间常数，现在，最慢的动态与电压调节有关，约为5 ms或100个PWM周期。因此，仿线秒。

  凭借这种仿真性能，这个系统级模型可拿来彻底地探索设计空间和优化控制器。做好主要的设计决策后，最后一步就是，使用精细仿真模型（使用英飞凌

  模型），来对设计做验证。该验证通常在由负载功率和环境和温度定义的一组工作点上进行。不过，我们已看到，将精细模型仿线万个PWM周期，如果每个周期需要2.3秒来仿真的话，这是不切实际的。为了在特定的操作点，初始化该精细模型，我们提出了一种涉及多个模型的迭代方法。总体而言，这个理念就是将较慢的时间常数分离为工作速度较快的独立模型。在做进一步的解释之前，还需要用一个模型，这个模型只对MOSFET

  ”热模型，我们先对已导入的英飞凌SPICE子电路进行编辑，只留下Cauer网络。两个Cauer网络的输入是两个恒定热流源Q1和Q2，代表每个PWM周期的平均结热流。这个“纯”热模型可以运行到稳态，或使用Simscape，从稳态选项启动。不论哪种方式，与其他方式相比，它们求解Cauer网络节点温度的时间都是可忽略不计的。现在，个人会使用这三个模型来初始化周期稳态下的精细模型，如下所示：

  4）到周期稳态。对上一个完整的PWM周期的MOSFET损耗取平均值，以估算结损耗（Q1和Q2）。2.

  “纯”热模型（见图6）到热稳态，并记录两个Cauer模型节点的最终温度。3.

  5）的热状态设为上述步骤2中的值，然后，将其余模型状态设为上述步骤1中确定的值。4.

  4个完整的PWM周期。对最后一个完整的PWM周期的MOSFET损耗取平均值，然后得出结损耗（Q1和Q2）的修正估计值。5.

  6，但对于本例而言，是不必要的。该模型现在已经足够接近周期稳态，可拿来评估电路性能。

  2.85kW负载供电时的瞬时开关损耗和转换器的总效率。该效率级别是低边的，设计人员的下一步可能是为高边和低边开关并联两个或三个MOSFET。必须要格外注意的是，鉴于使用了经过验证的工厂SPICE MOSFET模型来生成这些结果，而且这些结果是针对实际电路的，因此，其结果具备极高的可信度。与偶尔使用的、基于代表性测试电路的导通和开关损耗数据表图的替代方案相比，这带来了更高的可信度。整一个完整的过程总结下来如图8

  MATLAB脚本的形式实现，可在MathWorks File Exchange[3]下载。该脚本要消耗4分钟，来运行和产生如图7所示的结果。而从非初始化状态运行非线性模型，以获得相同的结果，需要一天的时间。

  高可信度预测。使用了一种双管齐下的方法，解决了时间常数迥异并有周期稳态的模型的初始化难题。首先，通过将SPICE子电路导入Simulink，并使用可变步长求解器，求解完整的模拟系统和控制器，来避免缓慢的协同仿真。其次，使用多个具有不一样可信度水平的模型，通过一个简单的迭代方案，来找到稳态。其结果是端到端设计和仿真速度要比单独使用SPICE仿真引擎要快。