MOSFET (Ideal, Switching)

Идеальный N-канал MOSFET для коммутационных систем

Библиотека:
Simscape/Электрический/Полупроводники и конвертеры

Описание

Блок MOSFET (Ideal, Switching) моделирует идеальное поведение переключения n-канального металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET).

Характеристика переключения n-канального МОП-транзистора такова, что, если напряжение источника управления превышает заданное пороговое напряжение, МОП-транзистор находится в включенном состоянии. В противном случае устройство находится в выключенном состоянии. Этот рисунок показывает типичную i-v characteristic:

Для определения характеристики I-V MOSFET установите параметр On-state behaviour and switching losses равным Specify constant values или Tabulate with temperature and current. The Tabulate with temperature and current опция доступна, только если вы открываете тепловой порт блока.

В включенном состоянии путь стока-источника ведет себя как линейный резистор с сопротивлением, _{Rds_on}. Однако, если вы выставляете тепловой порт блока и параметризоваете устройство с помощью табличных данных I-V, табличное сопротивление является функцией от температуры и тока.

В выключенном состоянии путь стока-источника ведет себя как линейный резистор с низкой проводимостью вне состояния, _Goff.

Определяющие Simscape™ уравнения для блока:

    if G > Vth       v == i*Rds_on;     else       v == i/Goff;     end

где:

G - напряжение источника затвора.
Vth - пороговое напряжение.
v - напряжение стока-источника.
i - ток источника стока.
Rds_on - сопротивление в состоянии «on-state».
Goff - проводимость вне состояния.

Используя настройки Integral Diode, можно включать диод тела или интегральный диод защиты. Интегральный диод обеспечивает путь проводимости для обратного тока. Для примера, обеспечить путь для высокого всплеска обратного напряжения, который генерируется, когда полупроводниковое устройство внезапно отключает подачу напряжения на индуктивную нагрузку.

Установите параметр Integral protection diode на основе своей цели.

Цель	Значение, которое нужно выбрать	Поведение блоков
Приоритезируйте скорость симуляции.	`Protection diode with no dynamics`	Блок включает интегральную копию блока Diode. Чтобы параметризовать внутренний Diode блок, используйте параметры Protection.
Точно задайте динамику заряда в обратном режиме.	`Protection diode with charge dynamics`	Блок включает интегральную копию динамической модели блока Diode. Чтобы параметризовать внутренний Diode блок, используйте параметры Protection.

Варианты моделирования

Блок обеспечивает четыре варианта моделирования. Чтобы выбрать нужный вариант, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели. В контекстном меню выберите Simscape > Block choices, а затем один из следующих вариантов:

PS Control Port - содержит порт физического сигнала, который сопоставлен с клеммой управления ключом. Этот вариант является вариантом по умолчанию.
Electrical Control Port - содержит электрический порт, сопоставленный с клеммой управления ключом.
PS Control Port | Thermal Port - содержит тепловой порт и порт физического сигнала, который сопоставлен с клеммой управления ключом.
Electrical Control Port | Thermal Port - содержит тепловой порт и электрический порт, который сопоставлен с клеммой управления ключом.

Варианты этого блока без теплового порта не моделируют генерацию тепла в устройстве.

Варианты с тепловым портом позволяют вам смоделировать тепло, которое генерируют события переключения и потери проводимости. Тепловой порт по умолчанию скрыт. Чтобы включить тепловой порт, выберите вариант теплового блока.

Тепловые потери

Рисунок показывает идеализированное представление выходного напряжения, _Vout и выходного тока, _Iout, полупроводникового устройства. Показанный интервал включает в себя весь n^th цикл переключения, во время которого блок выключается и затем включается.

Потери переключений являются одним из основных источников тепловых потерь в полупроводниках. Во время каждого перехода включения-выключения паразиты MOSFET сохраняют и затем рассеивают энергию.

Потери переключения зависят от напряжения вне состояния и тока в состоянии включения. Когда коммутирующее устройство включено, потери степени зависят от начального напряжения в нерабочем состоянии на устройстве и последнего тока в включенном состоянии, когда устройство полностью находится в включенном состоянии. Точно так же, когда переключающее устройство выключено, потери степени зависят от начального тока включения через устройство и конечного напряжения отключения через устройство в полностью выключенном состоянии.

В этом блоке потери переключения применяются путем увеличения температуры соединения со значением, равным потерям переключения, разделенным на общую тепловую массу в соединении. Switch-on loss, Eon(Tj,Ids) и Switch-on loss, Eoff(Tj,Ids) значений параметров устанавливают размеры потерь переключения, и они либо фиксированы, либо зависят от температуры соединения и тока источника стока. В обоих случаях потери масштабируются напряжением в нерабочем состоянии до последнего события включения устройства.

Примечание

Поскольку окончательный ток после события переключения не известен во время симуляции, блок записывает ток в состоянии включения в точке, в которой устройство отключено. Аналогично, блок записывает напряжение вне состояния в точке, в которой устройство командуется. По этой причине журнал моделирования не сообщает о потерях переключения в тепловой сети до одного цикла переключения позже.

Для всех идеальных коммутационных устройств потери переключений сообщаются в журнале моделирования следующим lastTurnOffLoss и lastTurnOnLoss и записан как импульс с амплитудой, равной потере энергии. Если вы используете скрипт, чтобы суммировать общие потери за определенный период симуляции, необходимо суммировать значения импульсов на каждом повышающем ребре импульса. Кроме того, можно использовать ee_getPowerLossSummary и ee_getPowerLossTimeSeries функции для извлечения проводимости и переключения потерь из записанных данных.

Переменные

Настройки Variables позволяют вам задать приоритет и начальные целевые значения для основных переменных перед симуляцией. Для получения дополнительной информации смотрите Задать приоритет и Начальный целевой объект для основных переменных.

Чтобы включить настройки Variables для этого блока, установите вариант равным PS Control Port | Thermal Port или Electrical Control Port | Thermal Port.

Порты

Рисунок показывает имена портов блоков.

Сохранение

расширить все

`G` - Терминал управления ключами
электрический

Порт сопоставлен с терминалом управления ключами. Можно задать порт либо физическим сигналом, либо электрическим портом.

`S` - Исходный терминал
электрический

Электрический порт сопоставлен с исходным клеммой.

`D` - Дренажный терминал
электрический

Электрический порт сопоставлен с клеммой слива.

`H` - Тепловой порт
тепловой

Тепловой порт. Тепловой порт является необязательным и по умолчанию скрыт. Чтобы включить этот порт, выберите вариант, который включает тепловой порт.

Параметры

расширить все

Главный

В этой таблице показано, как видимость параметров Main зависит от того, как вы конфигурируете параметры Block choice и On-state behavior and switching losses. Чтобы узнать, как считать эту таблицу, см. «Параметры».

Зависимости основного параметра

Параметры и опции
Выбор блока
`PS control port` или `Electrical control port`	`PS control port \| Thermal port` или `Electrical control port \| Thermal port`
Сток-источник сопротивления, R_DS (вкл.)	Пороговое напряжение, Vth
Проводимость вне состояния	Поведение в состоянии и потери переключений
Проводимость вне состояния	`Specify constant values`	`Tabulate with temperature and current`
Пороговое напряжение, Vth	Сток-источник сопротивления, R_DS (вкл.)	Напряжение в состоянии Vds (Tj, Ids)
	Проводимость вне состояния	Проводимость вне состояния
	Потери при включении	Потери при включении, Eon (Tj, Ids)
	Потеря выключения	Потеря выключения, Eoff (Tj, Ids)
	Напряжение вне состояния для переключения данных потерь	Вектор температуры, Tj
	Ток в состоянии переключения данных потерь	Вектор тока стока-источника, Ids
	Ток в состоянии переключения данных потерь	Напряжение вне состояния для переключения данных потерь

`On-state behaviour and switching losses` - Ток в состоянии переключения данных о потерях
`Specify constant values` (по умолчанию) | `Tabulate with temperature and current`

Выберите метод параметризации. Выбранная опция определяет, какие другие параметры включены. Опции:

Specify constant values - Используйте скалярные значения, чтобы задать выходной ток, данные о потерях при включении и потерях при отключении. Это метод параметризации по умолчанию.
Tabulate with temperature and current - Используйте векторы, чтобы задать выходной ток, потери при включении, потери при выключении и данные о температуре.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Drain-source on resistance, R_DS(on)` - Дренажный источник сопротивления
`0.01` `Ohm` (по умолчанию)

Сопротивление стока-источника, когда устройство включено.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Off-state conductance` - Проводимость вне состояния
`1e-6` `1/Ohm` (по умолчанию)

Проводимость источника слива, когда устройство отключено. Значение должно быть меньше 1/R, где R - значение On-state resistance.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Threshold voltage, Vth` - Пороговое напряжение
`2` `V` (по умолчанию)

Порог напряжения затвора-источника. Устройство включается, когда напряжение затвора-источника выше этого значения.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Switch-on loss` - Потеря включения
`0.02286` `J` (по умолчанию)

Энергия рассеялась во время одного события включения. Этот параметр определяется как функция от температуры и конечного выходного тока в состоянии включения. Задайте этот параметр с помощью скалярной величины.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Switch-off loss` - Потеря выключения
`0.01714` `J` (по умолчанию)

Энергия рассеивается во время одного события отключения. Этот параметр определяется как функция от температуры и конечного выходного тока в состоянии включения. Задайте этот параметр с помощью скалярной величины.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Off-state voltage for switching loss data` - Напряжение в нерабочем состоянии для данных потерь
`300` `V` (по умолчанию)

Выходное напряжение устройства в выключенном состоянии. Это - блокирующее напряжение, при котором заданы данные о потерях при включении и отключении.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`On-state current for switching loss data` - Выходной ток
`600` `A` (по умолчанию)

Выходные токи, для которых заданы потери включения, потери выключения и напряжение включения. Первый элемент должен быть нулем. Задайте этот параметр с помощью скалярной величины.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`On-state voltage, Vds(Tj,Ids)` - Напряжение в состоянии включения
`[0, 1.1, 1.3, 1.45, 1.75, 2.25, 2.7; 0, 1, 1.15, 1.35, 1.7, 2.35, 3]` `V` (по умолчанию)

Падение напряжения на устройстве, пока оно находится в срабатывающем проводящем состоянии. Этот параметр определяется как функция от температуры и конечного выходного тока в состоянии включения. Задайте этот параметр с помощью вектора величины.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Switch-on loss, Eon(Tj,Ids)` - Потеря включения
`[ 0 2.9e-4 0.00143 0.00286 0.00571 0.01314 0.02286; 0 5.7e-4 0.00263 0.00514 0.01029 0.02057 0.03029 ]` `J` (по умолчанию)

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Switch-off loss, Eoff(Tj,Ids)` - Потеря выключения
`[0, .21, 1.07, 2.14, 4.29, 9.86, 17.14; 0, .43, 1.97, 3.86, 7.71, 15.43, 22.71] * 1e-3` `J` (по умолчанию)

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Temperature vector, Tj` - Вектор температуры
`[298.15, 398.15]` `K` (по умолчанию)

Значения температуры, при которых заданы потери включения, потери выключения и напряжение включения. Задайте этот параметр с помощью вектора величины.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

`Drain-source current vector, Ids` - Вектор тока стока-источника
`[ 0 10 50 100 200 400 600 ]` `A` (по умолчанию)

Токи источника стока, для которых заданы потери включения, отключения переключателя и напряжения в состоянии включения. Первый элемент должен быть нулем. Задайте этот параметр с помощью вектора величины.

Зависимости

См. таблицу Основные зависимости параметров.

Интегральный диод

`Integral protection diode` - Диод защиты
`Protection diode with no dynamics` (по умолчанию) | `None` | `Protection diode with charge dynamics`

Блокируйте интегральный диод защиты. Значение по умолчанию Protection diode with no dynamics.

Диоды, которые можно выбрать:

Protection diode with no dynamics
Protection diode with charge dynamics

`Diode model` - Модель диода
`Piecewise Linear` (по умолчанию) | `Tabulated I-V curve`

Выберите одну из следующих моделей диодов:

Piecewise Linear - Используйте кусочно-линейную модель для диода, как описано в Piecewise Linear Diode. Это метод по умолчанию.
Tabulated I-V curve - Используйте табличные данные I-V прямого смещения плюс фиксированное обратное смещение от проводимости.

Зависимости

Этот параметр видим только, когда тепловой порт доступен, и параметр Integral protection diode установлен в Protection diode with no dynamics или Protection diode with charge dynamics.

`Forward voltage` - Прямое напряжение
`0.8` `V` (по умолчанию)

Минимальное напряжение, необходимое для + и - блокируют порты для градиента характеристики I-V диода, которые будут _1/Ron, где _Ron является значением On resistance.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр:

Если тепловой порт скрыт, задайте Integral protection diode Protection diode with no dynamics или Protection diode with charge dynamics.
Если тепловой порт доступен, установите Integral protection diode равным Protection diode with no dynamics или Protection diode with charge dynamics и Diode model к Piecewise linear.

`On resistance` - На сопротивлении
`0.001` `Ohm` (по умолчанию)

Скорость изменения напряжения от тока выше Forward voltage.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр:

Если тепловой порт скрыт, задайте Integral protection diode Protection diode with no dynamics или Protection diode with charge dynamics.
Если тепловой порт доступен, установите Integral protection diode равным Protection diode with no dynamics или Protection diode with charge dynamics и Diode model к Piecewise linear.

`Forward currents, If(Tj,Vf)` - Вектор прямых токов
`[.07, .12, .19, 1.75, 4.24, 7.32, 11.2; .16, .3, .72, 2.14, 4.02, 6.35, 9.12]` `A` (по умолчанию) | неотрицательный вектор

Передние токи. Этот параметр должен быть вектором как минимум трех неотрицательных элементов.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, откройте тепловой порт и установите Diode model равным Tabulated I-V curve.

`Junction temperatures, Tj` - Вектор температур соединений
`[25, 125]` `degC` (по умолчанию)

Вектор температур соединений. Этот параметр должен быть вектором как минимум двух элементов.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, откройте тепловой порт и установите Diode model равным Tabulated I-V curve.

`Forward voltages, Vf` - Вектор прямых напряжений
`[.5, .7, .9, 1.3, 1.7, 2.1, 2.5]` `V` (по умолчанию)

Вектор прямых напряжений. Этот параметр должен быть вектором как минимум трех неотрицательных значений.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, откройте тепловой порт и установите Diode model равным Tabulated I-V curve.

`Off conductance` - Отключенная проводимость
`1e-5` `1/Ohm` (по умолчанию)

Проводимость реверс-смещенного диода.

Зависимости

Этот параметр видим, только когда параметр Integral protection diode установлен в Protection diode with no dynamics или Protection diode with charge dynamics.