半导体激光器驱动源功率器件的建模与仿真

辛德胜，张剑家，张萌萌，张宏臣

(长春理工大学 高功率半导体激光器国家重点实验室，吉林 长春130022)

随着半导体激光器输出功率的不断提高，其应用领域越来越广泛。而激光二极管泵浦固体激光器(DPL)是半导体激光器的重要应用之一，它具有效率高、寿命长、结构紧凑及高稳定性的特点，因此它在军事及民用领域有着广阔的应用前景。事实上在一些应用场合，特别是军事应用中对整机效率及体积提出了更高的要求。而半导体激光器驱动源的高效率及小型化是整机小型化的关键问题之一。

利用计算机仿真技术对半导体激光器驱动源进行优化设计是实现其小型化的主要途径之一。目前，小信号电路的计算机仿真优化设计技术已趋于成熟。但大功率电源电路的计算机仿真优化设计技术仍然有着一系列问题需要解决，而功率器件的建模是其主要问题之一［1］。大功率半导体激光器驱动源具有低电压、大电流和恒流输出的特点。通常DPL 中的大功率半导体激光器由阵列半导体激光器构成。半导体激光器的结电压为2 V 左右，阵列半导体激光器的供电电流达上百至几百安培。大电流使半导体激光器驱动源的功率输出器件的功耗增加、温度升高，温度的升高又进一步导致功率器件的功耗增大。为了模拟半导体激光器驱动源功率器件的实际工作状态，计算机仿真只建立功率器件的电学模型是不够的，应建立包含热学模型在内的金属—氧化物—半导体场效应晶体管(MOSFET)模型，只有这样才能真正地反映功率器件的实际工作状态。

1 MOSFET 的建模

MOSFET 功率耗散主要包含阻性损耗和开关损耗两部分。由于DPL 半导体激光器驱动源的功率输出级的工作频率较低，因此开关损耗通常可以忽略，所以MOSFET 的功率耗散很大程度上取决于它的导通电阻Ron.但是MOSFET 的Ron与它的结温Tj有关［2］。而Tj又依赖于MOSFET 的功率耗散以及MOSFET 的热阻Zt.因此，在PSPICE 中建立含有热模型的MOSFET 模型，来描述驱动源电参数变化时MOSFET 导通电阻的变化。

1.1 MOSFET 的热模型

热模型的建立是根据MOSFET 的热传导过程来实现的。功率MOSFET 器件中的功耗是以热传导的形式从结处逐渐向外部散发出来的。根据热传导方程与电学中的传导方程的相似性，可以用一个电学模型来等效地模拟热量的传导过程，并用电学上的物理量来表征热传导过程中相应的物理量。热学物理量同电学量之间有如下的对应关系:温度T(K)对应电压U(V);热流量Φ(W)对应电流I(A);热阻Rt(K/W)对应电阻R(Ω);热容Ct(J/K)对应电容C(F).

根据上述对应关系，只要找到一个电学上的级联RC 网络就能等效表示出热传导的瞬态响应。

MOSFET 的热传导过程如图1所示。

图1 MOSFET 的热传导过程Fig.1 MOSFET thermal conduction process

在图1中，将MOSFET 从结处开始至导热外壳分为若干层。Rt是热阻，Ct是热容，Tj表示结温，Tc表示壳温。这样就可以用电学上的级联RC 网络得出MOSFET 的等效热模型，如图2所示。

图2 RC 网络等效的热模型Fig.2 Equivalent RC network thermal model

其中Rt和Ct的具体值要根据器件手册中的Zt曲线来取定。MOSFET 所产生的功耗送给等效热模型，结点Tj处的电压反映了瞬态结温的信息，可以表征结温，并且此信息将直接改变MOSFET 中的温度TMOSFET这一独立变量。

MOSFET 中的瞬态热阻可以完整地表示出器件的热学特性，因此通过它就能够反映出功耗随时间及结温的变化。瞬态热阻Zt(t)可以用(1)式表示［3］。

式中:P1为功耗初始值;Tj1为静态初始结温。

在给出P1和Tj1后，即可带到(2)式中，用来迭代计算随时间变化的结温Tj(t).

结温变化反过来影响漏极电流Id，

式中:TMOSFET表示温度，是全局变量;Idi是经过1∶1缓冲的漏极电流。

1.2 包含热模型的MOSFET 模型

根据1.1 节描述的热模型，通过模拟行为模型(ABM)形式［4］，在PSPICE 中实现功率MOSFET 热模型和电学模型的相关联，结果如图3所示。为了清晰，图中只给出了相关的模型符号。ABM 是PSPICE 中的一种特殊模型，它容许根据传输函数对电学器件有一个灵活的表示方式，该表示方式给出了输入输出的关系，可以用表格或公式的形式进行描述，也可以用数学表达式的形式进行描述，特别是它容许定义参数的依赖性。从ABM 模型库中分别调出相依电压源和相依电流源。

图3 包含热模型的功率MOSFET 的PSPICE 模型Fig.3 PSPICE model with thermal model of power MOSFET

如图3放置并分别命名为E_Rd，E_Vth，E_di，其中E_di作为一个1∶1 缓冲压控电源，(3)式作为Id的输入输出关系表达式，(1)式作为动态热阻Zt的输入输出关系表达式［5］。阈值电压Vth也受温度的影响，其表达式为

耦合到热模型中的功耗表达式为

这样，热模型就成功地与电学模型耦合到了一起，在热模型中Tcase 和Tamb 两端引出至热沉，可以做散热片的相关仿真。

从制造商提供的MOSFET 数据手册中可得到传输特性，反向二极管特性，热网络特性等信息。利用这些信息就可以建立这种包含热模型的PSPICE模型，这种模型能反映MOSFET 在瞬变过程中任何给定时刻的平均温度。从而给出电路中电气特性和热特性之间的动态关系。

2 仿真结果

首先，使用原始模型对半导体激光器驱动源进行仿真。半导体激光器驱动源电参数为脉冲宽度200 μs，输出电流115 A.其结果如图4所示，驱动源输出波形为一个较好的矩形脉冲。

图4 原始模型仿真的输出波形Fig.4 Output waveform of original model simulation

将上述所建模型放入高功率半导体激光驱动源电路中进行仿真分析，得到仿真结果如图5所示。

图5 含热模型仿真的输出波形Fig.5 Output waveform of thermal model simulation

3 实验验证

根据仿真电路制成驱动源实验装置，该实验装置供电电压为直流27 V，采用美国泰克数字示波器(500 MHz)测量了DPL 驱动源的输出波形(如图5)，它是在取样电阻两端取得的电压信号(其取样电阻阻值为0.025 Ω)，电压峰值为2.7 V，输出信号脉宽为219.2 μs，频率为20 Hz.

图6 电路实测波形Fig.6 Circuit measured waveform

显然，所建模型的仿真结果与真实波形具有很好的一致性，较准确地反映了MOSFET 的工作情况。

4 结论

本文将仿真与建模技术相结合，建立了包含热模型的功率MOSFET 的PSPICE 模型，同时融合了DPL 驱动源系统与其功率执行级的设计优化与仿真分析，采用新建模型对激光器驱动源进行了仿真优化，并对优化前后的驱动源输出波形进行了比较，验证了优化后的驱动源的功率耗散大大降低。将装置的测试结果与建模仿真输出结果进行了比较，2 者比较符合，证明所建的PSPICE 功率MOSFET 模型是正确的，该仿真与建模方法对实际电路的制作具有指导意义。

References)

［1］陈建业.电力电子电路的计算机仿真［M］.北京:清华大学出版社，2003:2 -85.CHEN Jian-ye.The application of computer simulation in power electronics［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2003:2 -85.(in Chinese)

［2］Mitiko Miura-Mattausch，Seiwa Ooshiro，Masami Suetake，et al.Circuit simulation models for coming MOSFET generations［C］∥Simulation of Semiconductor Processes and Devices.Seattle，WA，US:IEEE，2000:106 -111.

［3］Akira Hiroki，Shinji Odanaka，Kikuyo Ohe，et al.A mobility model for submicrometer MOSFET simulations including hot-carrier-induced device degradation［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，1988，35(9):1487 -1493.

［4］贾新章，武岳山.电子路CAD 技术——基于ORCAD 9.2［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2002.JIA Xin-zhang，WU Yue-shan.The CAD technique of electronic circuits——ORCAD 9.2［M］.Xi'an:Xidian University Press，2002.(in Chinese)

［5］Foty G，Gilgamesh Assoc，Fletcher V T，et al.Effective MOSFET modeling for SPICE circuit simulation［J］.Northcon/98 Conference Proceedings，1998，21(23):34 -41.