梯度放大器中MOSFET器件功率损耗分析

王 斌，蒋晓华

(清华大学电机系，北京100086)

引言

磁共振成像（MRI）系统主要包括主磁体系统、梯度系统、射频系统、谱仪系统以及控制系统等。其中，梯度放大器作为梯度系统的电源，其输出电流的幅值、稳定性等决定了最终成像的分辨率、质量等。本文的主要研究对象是实验室为国家 “863计划”7T动物MRI系统而自主研发的梯度放大器样机。

梯度放大器样机的最大输出电流主要由其使用的MOSFET器件决定，而样机使用的MOSFET的最大输出电流主要受器件温升影响。为了计算MOSFET器件温升，需要分析器件的功率损耗。

MOSFET器件的功率损耗可通过对其模型进行工程近似计算或仿真分析得到。器件建模分为半导体物理模型和器件行为模型两大类[1]。Pspice自带的模块以及IXYS公司提供的模型均使用半导体物理模型，使用数据手册提供的外特性曲线或通过外特性曲线进行参数提取得到；文献[2,3,4]则提出不同的器件行为模型，通过分立元件构建满足电气特性的模型。工程近似计算中将功率损耗分为开关损耗和导通损耗，分别推导公式进行计算得到[4,5]。而仿真计算是使用Pspice等电路分析软件仿真样机工作过程，分析器件仿真数据，计算功率损耗。

本文参考Diodes.inc公司提供的N沟道高压MOSFET模型，建立了适用于梯度放大器样机的MOSFET模型，并在仿真分析软件中建立仿真电路，分析计算得到不同工作状况下MOSFET器件以及负载的功率损耗。同时在样机上完成对应实验测量。

1 仿真模型和结果

1.1 MOSFET器件模型

首先建立梯度放大器样机使用的IXYS公司型号为IXTQ100N25P的MOSFET的器件行为模型。该器件模型可近似等效为图1所示的电路结构，由3 个极电阻（Rd,Rg,Rs）、杂散电感（Ls），反并联二极管（Dsd）,极间电容（Cgs,Cgd）以及一个理想的 MOSFET 组成。其中，栅漏极等效电容（Cgd）满足

该模型考虑了MOSFET的开关过程，将MOSFET的开通过程主要分为三个部分：（1）驱动电压通过栅极电阻、源极电阻以及栅源极电容为栅极充电使栅源极电压达到MOSFET的开通电压；（2）漏源极电压通过栅漏极等效电容控制漏极电流；（3）漏极电流达到稳定状态；关断过程也可类比分析。

根据IXTQ100N25P的数据手册，可以得到该器件的Pspice模型参数；通过完成器件部分外特性的实验，并对实验测量进行一定的分析，可以对其中的模型参数进行一定的修正，使该模型适用于实验室研制的梯度放大器样机。其中主要电气元件的参数如表1所示。

1.2 仿真电路及结果

梯度放大器样机的实际主电路结构如图2所示，其并联桥臂的驱动信号相同。但该结构在仿真分析中会出现收敛性差及上下桥臂会出现环流现象，使其不能得到较好的仿真结果。

表1 MOSFET模型的主要元件参数

基于该电路结构的对称性可将其简化为图3所示的单H桥单器件组成桥臂的仿真电路，其中滤波及负载回路的电阻值、电感值为原回路的4倍，电容值为原回路的1/4，这样简化之后，除滤波和负载回路的电流值变为实际电路的1/4外，其他电气参数没有变化。

在电路仿真软件中，建立图4所示仿真电路，其中驱动电压为12 V，上升时间为10 ns，驱动电阻为10 Ω，死区时间为360 ns。通过设置直流母线电压和输出占空比，可仿真获得器件及负载的电压、电流等仿真数据。图4为母线电压Udc为10 V，输出占空比d为0.30的仿真数据，其中mosfet电流为1桥臂上桥臂MOSFET器件的漏极电流，mosfet电压为该器件漏源极电压，负载电流负载电压为梯度负载Rgc和Lgc上的电流以及电压值（该电流已进行比例还原，和图2分析电路的负载电流值相同），桥臂中点电压为a、b之间电压，其开通占空比基本等于设定的输出占空比。

通过分析仿真数据，可得到器件功率损耗。图5为H桥不同桥臂器件功率损耗与输出占空比的关系。由于梯度放大器样机采用脉冲交错技术，因此输出占空比越大，上下桥臂器件开通占空比差别越大，功率损耗差别越大。输出占空比为正时，1桥上桥臂和2桥下桥臂功率损耗基本相同，而且相对另外两个桥臂较大。即说明在输出正电流时，1桥上桥臂和2桥下桥臂的器件温升会更高一些，散热分析时需重点考虑。

2 实验研究

使用实验室研制的7T动物MRI系统的梯度放大器样机作为实验平台进行实验研究，完成直流母线电压为10 V下输出固定占空比从0.05到0.30以及直流母线电压为30 V下输出固定占空比从0.05到0.10等实验的结果测量。

实际滤波、负载回路及参数如图6所示。

实验中使用罗氏线圈、高压差分探头、高精度霍尔传感器等测量工具分别测量了MOSFET漏极管脚电流Id、漏源极电压 Uds、桥臂中点电压 Uab、负载电压Ugc以及负载电流Igc。图7所示为母线电压Udc为10 V、输出占空比d为0.30的实验测量结果，测量结果意义和图4分析数据相同。

对比图4和图7的对应波形，其数值和波形均基本吻合。表2、表3分别给出不同工作状况下的实验测量和仿真数据的MOSFET器件及负载功率损耗结果对比。

表2 不同工作状况下MOSFET器件功耗

表3 不同工作状况下负载功耗

通过对比可以看出实验结果和仿真数据相对误差在±10%以内，主要误差来源包括在仿真中没有考虑线路杂散参数的影响、实验测量会有外界噪声影响、测量工具及示波器的精度所引入的测量误差等。该仿真分析数据将用于进一步分析梯度放大器样机内部散热情况，由于温度测量误差的存在以及散热设计已考虑温度裕度，仿真分析的精度是可以接受的。实验测量结果可以验证仿真分析的正确性，仿真分析数据满足进一步计算的要求。

3 结论

论文建立的MOSFET器件模型有效的适用于梯度放大器样机的仿真分析，在此基础上建立的仿真电路可以满足仿真分析的要求，可应用于计算不同工作状况下梯度放大器样机MOSFET器件的功率损耗分析。该仿真分析电路可为进一步分析梯度放大器样机的最大输出电流能力提供有力的数据。

[1]李思齐.磁共振成像系统中梯度放大器的研究[D].北京：清华大学，2009:43.

[2]李思齐，郭犇，蒋晓华.动态死区抑制MOSFET反向恢复电流的研究[J].电力电子技术，2010,44（7）：91-93.

[3]Rashid M H.Power electronics handbook:devices,circuits,and applications[M].Amsterdam,Boston:Academic,2007:66.

[4]罗四海，娄本超，唐君，李彦.MOSFET的损耗分析与工程近似计算[J].电子设计工程，2011,19（21）:136-138、145.

[5]叶俊,张峰.Buck同步整流电路 MOSFET损耗的计算[J].电力电子技术，2007,41（12）：109-111.