در این شبیهسازی، نحوه استفاده از نتایج شبیهسازی SPICE برای تعیین پارامترهای یک MOSFET کانال N مبتنی بر Lookup Table در Simscape بررسی میشود. هدف اصلی، انتقال ویژگیهای واقعی یک MOSFET قدرت از مدل SPICE به محیط Simulink و سپس مقایسه رفتار حاصل با نتایج مرجع SPICE است.
معرفی مدل MOSFET مبتنی بر Lookup Table
مدل N-Channel MOSFET (Lookup Table-Based) در Simscape امکان استفاده از دادههای تجربی یا دادههای استخراجشده از شبیهسازیهای SPICE را فراهم میکند. برخلاف مدلهای تحلیلی که بر پایه معادلات ریاضی کار میکنند، مدل Lookup Table رفتار قطعه را از روی جداول داده استخراج میکند و بنابراین میتواند دقت بسیار بالاتری در بازتولید عملکرد واقعی قطعه داشته باشد.
در این فرآیند از MOSFET قدرت IAUC100N04S6L014 استفاده میشود. این قطعه دارای مدل SPICE بوده و میتوان مشخصات مختلف آن را استخراج و به مدل Simscape منتقل کرد.
باز کردن زیرمدار SPICE
اولین مرحله در این شبیهسازی، دسترسی به زیرمدار SPICE مربوط به MOSFET است. فایل زیرمدار شامل تمامی پارامترهای فیزیکی و الکتریکی قطعه بوده و رفتار آن را در شرایط مختلف توصیف میکند.
برای مشاهده فایل زیرمدار در محیط MATLAB میتوان دستور زیر را اجرا کرد:
edit IAUC100N04S6L014.cir
این فایل شامل مدل کامل MOSFET بوده و مبنای استخراج تمامی مشخصات مورد نیاز برای پارامتردهی مدل Lookup Table محسوب میشود.
استخراج مشخصات انتقالی (Transfer Characteristics)
یکی از مهمترین مشخصات MOSFET، منحنی انتقالی آن است. این منحنی رابطه بین جریان درین و ولتاژ گیت-سورس را نشان میدهد. در واقع مشخص میکند که MOSFET در چه ولتاژی روشن شده و با افزایش ولتاژ گیت چگونه جریان عبوری افزایش مییابد.
برای استخراج این مشخصه، یک فایل Netlist در SPICE ایجاد میشود که در آن ولتاژهای مختلف Drain-Source اعمال شده و سپس رفتار جریان نسبت به ولتاژ Gate-Source اندازهگیری میشود.
در این شبیهسازی از فایل:
IAUC100N04S6L014_idvgs.net
استفاده میشود. این فایل مجموعهای از ولتاژهای مختلف VDS را تعریف کرده و منحنیهای انتقالی را تولید میکند.
پس از اجرای شبیهسازی در محیط SPICE، نتایج در فایل RAW ذخیره میشوند. سپس اسکریپت:
ee_mosfet_tabulated_setparam
این دادهها را خوانده و پارامترهای کانال MOSFET را در مدل Lookup Table تنظیم میکند.
مقایسه مشخصات انتقالی
پس از اعمال پارامترها، منحنیهای انتقالی حاصل از Simscape با نتایج SPICE مقایسه میشوند. نزدیکی دو منحنی نشاندهنده صحت فرآیند پارامتردهی و دقت بالای مدل جدول جستجو است.
استخراج مشخصات خروجی (Output Characteristics)
مشخصه خروجی MOSFET رابطه بین جریان درین و ولتاژ درین-سورس را در ولتاژهای مختلف گیت نشان میدهد. این مشخصه یکی از مهمترین پارامترها در تحلیل رفتار کلیدزنی و هدایت قطعه محسوب میشود.
برای استخراج این منحنی از فایل:
IAUC100N04S6L014_idvds.net
استفاده میشود. در این فایل ولتاژ Gate-Source در چندین مقدار مختلف تنظیم شده و ولتاژ Drain-Source تغییر میکند تا منحنیهای خروجی ایجاد شوند.
دادههای تولید شده در فایل:
IAUC100N04S6L014_idvds1.raw
ذخیره میشوند. سپس این دادهها به مدل Lookup Table منتقل شده و پارامترهای مربوط به کانال MOSFET بهروزرسانی میشوند.
مقایسه مشخصات خروجی
در این مرحله منحنیهای خروجی تولیدشده در Simscape با نتایج SPICE مقایسه میشوند. این مقایسه نشان میدهد که مدل ایجادشده قادر است رفتار واقعی MOSFET را در محدودههای مختلف کاری بازتولید کند.
استخراج مشخصات خازنی MOSFET
خازنهای داخلی MOSFET نقش مهمی در رفتار دینامیکی، سرعت سوئیچینگ و تلفات کلیدزنی دارند. بنابراین برای دستیابی به شبیهسازی دقیق، لازم است این پارامترها نیز به مدل منتقل شوند.
سه خازن مهم در MOSFET عبارتاند از:
- Ciss یا خازن ورودی
- Crss یا خازن انتقال معکوس
- Coss یا خازن خروجی
برای استخراج این مشخصات از فایل:
IAUC100N04S6L014_cvds.net
استفاده میشود. در این روش سیگنالهای AC کوچک به گیت و درین اعمال شده و تغییرات جریان و ولتاژ اندازهگیری میشوند.
نتایج حاصل در فایل:
IAUC100N04S6L014_cvds1.raw
ذخیره میشوند.
تنظیم پارامترهای خازنی
پس از استخراج دادهها، گزینه تنظیم پارامترهای خازنی MOSFET فعال شده و اطلاعات خازنهای داخلی به مدل Lookup Table منتقل میشوند.
مقایسه Ciss، Crss و Coss
در این مرحله نمودارهای حاصل از Simscape با دادههای SPICE مقایسه میشوند. تطابق مناسب این منحنیها نشاندهنده مدلسازی صحیح اثرات خازنی MOSFET است.
استخراج مشخصات دیود داخلی MOSFET
بیشتر MOSFETهای قدرت دارای یک دیود داخلی بین سورس و درین هستند که به نام Body Diode شناخته میشود. این دیود در بسیاری از کاربردهای الکترونیک قدرت از جمله مبدلهای DC-DC و اینورترها نقش مهمی ایفا میکند.
برای استخراج مشخصات این دیود، MOSFET در ناحیه خاموش قرار گرفته و ولتاژ معکوس بین درین و سورس اعمال میشود.
فایل مورد استفاده:
IAUC100N04S6L014_diode.net
است که مشخصات جریان-ولتاژ دیود داخلی را استخراج میکند.
نتایج شبیهسازی در فایل:
IAUC100N04S6L014_diode1.raw
ذخیره میشوند.
تنظیم پارامترهای دیود
با فعالسازی گزینه مربوط به پارامترهای دیود در محیط Simscape، دادههای استخراجشده وارد مدل Lookup Table شده و رفتار دیود داخلی MOSFET بازسازی میشود.
مقایسه مشخصات دیود مستقیم
پس از اعمال پارامترها، منحنی جریان-ولتاژ دیود داخلی در Simscape با نتایج SPICE مقایسه میشود. این مقایسه نشان میدهد که مدل ایجادشده قادر است رفتار واقعی دیود داخلی را نیز با دقت بالا بازتولید کند.
مزایای استفاده از Lookup Table در مدلسازی MOSFET
- افزایش دقت شبیهسازی نسبت به مدلهای تحلیلی
- استفاده مستقیم از دادههای SPICE یا دادههای آزمایشگاهی
- بازسازی دقیق رفتار استاتیکی و دینامیکی قطعه
- مدلسازی دقیق ظرفیتهای داخلی MOSFET
- بازنمایی صحیح رفتار دیود داخلی
- بهبود دقت تحلیل تلفات و راندمان سیستمهای قدرت
- کاهش خطا در طراحی مبدلهای الکترونیک قدرت
جمعبندی
در این شبیهسازی فرآیند کامل پارامتردهی یک MOSFET کانال N مبتنی بر Lookup Table از دادههای استخراجشده توسط SPICE مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا مشخصات انتقالی و خروجی MOSFET استخراج شد، سپس پارامترهای خازنی و مشخصات دیود داخلی به مدل افزوده شدند. در ادامه تمامی نتایج به دست آمده با شبیهسازی مرجع SPICE مقایسه شدند و تطابق مناسبی میان دو مدل مشاهده گردید.
استفاده از این روش در محیط MATLAB و Simscape امکان ایجاد مدلهایی بسیار دقیق و نزدیک به رفتار واقعی قطعات نیمههادی را فراهم میکند. این موضوع به ویژه در طراحی مبدلهای قدرت، منابع تغذیه سوئیچینگ، سیستمهای خودروهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیک صنعتی اهمیت بسیار زیادی دارد و باعث افزایش قابلیت اطمینان نتایج شبیهسازی میشود.
“`
همه چیز، یکجا، آماده دانلود!
لینک دانلود ویژه اعضا سایت
