梯度放大器中MOSFET器件功率損耗分析

王 斌，蔣曉華

(清華大學(xué)電機(jī)系，北京100086)

引言

磁共振成像（MRI）系統(tǒng)主要包括主磁體系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。其中，梯度放大器作為梯度系統(tǒng)的電源，其輸出電流的幅值、穩(wěn)定性等決定了最終成像的分辨率、質(zhì)量等。本文的主要研究對(duì)象是實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家 “863計(jì)劃”7T動(dòng)物MRI系統(tǒng)而自主研發(fā)的梯度放大器樣機(jī)。

梯度放大器樣機(jī)的最大輸出電流主要由其使用的MOSFET器件決定，而樣機(jī)使用的MOSFET的最大輸出電流主要受器件溫升影響。為了計(jì)算MOSFET器件溫升，需要分析器件的功率損耗。

MOSFET器件的功率損耗可通過(guò)對(duì)其模型進(jìn)行工程近似計(jì)算或仿真分析得到。器件建模分為半導(dǎo)體物理模型和器件行為模型兩大類[1]。Pspice自帶的模塊以及IXYS公司提供的模型均使用半導(dǎo)體物理模型，使用數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的外特性曲線或通過(guò)外特性曲線進(jìn)行參數(shù)提取得到；文獻(xiàn)[2,3,4]則提出不同的器件行為模型，通過(guò)分立元件構(gòu)建滿足電氣特性的模型。工程近似計(jì)算中將功率損耗分為開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，分別推導(dǎo)公式進(jìn)行計(jì)算得到[4,5]。而仿真計(jì)算是使用Pspice等電路分析軟件仿真樣機(jī)工作過(guò)程，分析器件仿真數(shù)據(jù)，計(jì)算功率損耗。

本文參考Diodes.inc公司提供的N溝道高壓MOSFET模型，建立了適用于梯度放大器樣機(jī)的MOSFET模型，并在仿真分析軟件中建立仿真電路，分析計(jì)算得到不同工作狀況下MOSFET器件以及負(fù)載的功率損耗。同時(shí)在樣機(jī)上完成對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

1 仿真模型和結(jié)果

1.1 MOSFET器件模型

首先建立梯度放大器樣機(jī)使用的IXYS公司型號(hào)為IXTQ100N25P的MOSFET的器件行為模型。該器件模型可近似等效為圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，由3 個(gè)極電阻（Rd,Rg,Rs）、雜散電感（Ls），反并聯(lián)二極管（Dsd）,極間電容（Cgs,Cgd）以及一個(gè)理想的 MOSFET 組成。其中，柵漏極等效電容（Cgd）滿足

該模型考慮了MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程，將MOSFET的開(kāi)通過(guò)程主要分為三個(gè)部分：（1）驅(qū)動(dòng)電壓通過(guò)柵極電阻、源極電阻以及柵源極電容為柵極充電使柵源極電壓達(dá)到MOSFET的開(kāi)通電壓；（2）漏源極電壓通過(guò)柵漏極等效電容控制漏極電流；（3）漏極電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；關(guān)斷過(guò)程也可類比分析。

根據(jù)IXTQ100N25P的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以得到該器件的Pspice模型參數(shù)；通過(guò)完成器件部分外特性的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行一定的分析，可以對(duì)其中的模型參數(shù)進(jìn)行一定的修正，使該模型適用于實(shí)驗(yàn)室研制的梯度放大器樣機(jī)。其中主要電氣元件的參數(shù)如表1所示。

1.2 仿真電路及結(jié)果

梯度放大器樣機(jī)的實(shí)際主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其并聯(lián)橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。但該結(jié)構(gòu)在仿真分析中會(huì)出現(xiàn)收斂性差及上下橋臂會(huì)出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象，使其不能得到較好的仿真結(jié)果。

表1 MOSFET模型的主要元件參數(shù)

基于該電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性可將其簡(jiǎn)化為圖3所示的單H橋單器件組成橋臂的仿真電路，其中濾波及負(fù)載回路的電阻值、電感值為原回路的4倍，電容值為原回路的1/4，這樣簡(jiǎn)化之后，除濾波和負(fù)載回路的電流值變?yōu)閷?shí)際電路的1/4外，其他電氣參數(shù)沒(méi)有變化。

在電路仿真軟件中，建立圖4所示仿真電路，其中驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，上升時(shí)間為10 ns，驅(qū)動(dòng)電阻為10 Ω，死區(qū)時(shí)間為360 ns。通過(guò)設(shè)置直流母線電壓和輸出占空比，可仿真獲得器件及負(fù)載的電壓、電流等仿真數(shù)據(jù)。圖4為母線電壓Udc為10 V，輸出占空比d為0.30的仿真數(shù)據(jù)，其中mosfet電流為1橋臂上橋臂MOSFET器件的漏極電流，mosfet電壓為該器件漏源極電壓，負(fù)載電流負(fù)載電壓為梯度負(fù)載Rgc和Lgc上的電流以及電壓值（該電流已進(jìn)行比例還原，和圖2分析電路的負(fù)載電流值相同），橋臂中點(diǎn)電壓為a、b之間電壓，其開(kāi)通占空比基本等于設(shè)定的輸出占空比。

通過(guò)分析仿真數(shù)據(jù)，可得到器件功率損耗。圖5為H橋不同橋臂器件功率損耗與輸出占空比的關(guān)系。由于梯度放大器樣機(jī)采用脈沖交錯(cuò)技術(shù)，因此輸出占空比越大，上下橋臂器件開(kāi)通占空比差別越大，功率損耗差別越大。輸出占空比為正時(shí)，1橋上橋臂和2橋下橋臂功率損耗基本相同，而且相對(duì)另外兩個(gè)橋臂較大。即說(shuō)明在輸出正電流時(shí)，1橋上橋臂和2橋下橋臂的器件溫升會(huì)更高一些，散熱分析時(shí)需重點(diǎn)考慮。

2 實(shí)驗(yàn)研究

使用實(shí)驗(yàn)室研制的7T動(dòng)物MRI系統(tǒng)的梯度放大器樣機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，完成直流母線電壓為10 V下輸出固定占空比從0.05到0.30以及直流母線電壓為30 V下輸出固定占空比從0.05到0.10等實(shí)驗(yàn)的結(jié)果測(cè)量。

實(shí)際濾波、負(fù)載回路及參數(shù)如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中使用羅氏線圈、高壓差分探頭、高精度霍爾傳感器等測(cè)量工具分別測(cè)量了MOSFET漏極管腳電流Id、漏源極電壓 Uds、橋臂中點(diǎn)電壓 Uab、負(fù)載電壓Ugc以及負(fù)載電流Igc。圖7所示為母線電壓Udc為10 V、輸出占空比d為0.30的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果意義和圖4分析數(shù)據(jù)相同。

對(duì)比圖4和圖7的對(duì)應(yīng)波形，其數(shù)值和波形均基本吻合。表2、表3分別給出不同工作狀況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和仿真數(shù)據(jù)的MOSFET器件及負(fù)載功率損耗結(jié)果對(duì)比。

表2 不同工作狀況下MOSFET器件功耗

表3 不同工作狀況下負(fù)載功耗

通過(guò)對(duì)比可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在±10%以內(nèi)，主要誤差來(lái)源包括在仿真中沒(méi)有考慮線路雜散參數(shù)的影響、實(shí)驗(yàn)測(cè)量會(huì)有外界噪聲影響、測(cè)量工具及示波器的精度所引入的測(cè)量誤差等。該仿真分析數(shù)據(jù)將用于進(jìn)一步分析梯度放大器樣機(jī)內(nèi)部散熱情況，由于溫度測(cè)量誤差的存在以及散熱設(shè)計(jì)已考慮溫度裕度，仿真分析的精度是可以接受的。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可以驗(yàn)證仿真分析的正確性，仿真分析數(shù)據(jù)滿足進(jìn)一步計(jì)算的要求。

3 結(jié)論

論文建立的MOSFET器件模型有效的適用于梯度放大器樣機(jī)的仿真分析，在此基礎(chǔ)上建立的仿真電路可以滿足仿真分析的要求，可應(yīng)用于計(jì)算不同工作狀況下梯度放大器樣機(jī)MOSFET器件的功率損耗分析。該仿真分析電路可為進(jìn)一步分析梯度放大器樣機(jī)的最大輸出電流能力提供有力的數(shù)據(jù)。

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