CST电磁兼容性仿真—双脉冲3D仿真

概述

众所周知，达索系统的CST对于电磁兼容性仿真有着很好的精度和准确度。那么CST除了电磁兼容性仿真，SIPI仿真还能做哪些事呢？

CST电磁兼容性仿真2023年达索系统全球冠军计划成员。耐世特资深电子工程师，会定期分享一些使用CST电磁兼容性仿真的案例，以及心得和体会。

都说技多不压身，今天小编来介绍下使用CST进行双脉冲3D电路仿真，对于功率开关器件双脉冲试验是一个不得不做的测试试验。对于功率回路来说杂散电感越小越好，过大的杂散电感会导致Vds的电压尖峰过大，从而危害MOS管，所以PCB layout完成后可以使用CST仿真优化杂散电感

为了评估功率器件的动态参数，通常采取的测量方法是双脉冲测试。那什么是双脉冲测试呢？顾名思义，是通过两个脉冲，去控制器件的开关开关，然后测试在开关过程中的一些参数指标。

双脉冲的意义

考量开关管在实际电路中的实际表现，评估开关管固有参数是否满足设计需求，如反向恢复电流，电压关断尖峰，开通关断时间。

双脉冲的目的

（1）对比不同的开关管的参数，测量各项动态参数

（2）评估功率MOS驱动电阻的阻值是否合适

（3）功率MOS开关信号是否有不正常的震荡,电压尖峰是否超过耐压裕值

（4）计算回路杂散电感

（5）评估二极管的反向恢复行为和安全裕量

双脉冲的测试原理

双脉冲测试通常以半桥形式测试，所谓双脉冲就是上管持续关断，下管驱动信号给定两个脉冲从而测试下管的开关特性。如上图所示，上管两端并接一个电感，这里主要测试的就是下管的特性以及上管的反向二极管特性。

双脉冲测试的电路如图

双脉冲测试的波形如下图

（1）如图3在t0时刻，门极放出第一个脉冲，开关管饱和导通，电感电流线性上升，电流公式如下，t1时刻电流值最大，由时间t1决定电流大小。第一阶段如图所示

（2）如图4在t1时刻，被测开关管关断，电感电流由上管二极管续流，电流波形如虚线所示，此电流一般不容易检测。第二阶段如图所示

（3）如图5在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，被测开关管再次导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过开关管，在电流探头上能捕捉到这个电流。第三阶段如图所示

（4）如图6在t3时刻，开关管关断，此时电流较大由于母线杂散电感的存在，电压会出现尖峰，第四个阶段如图所示

根据上面的分析，我们可以通过双脉冲测试测得二极管的反向恢复时间，开关管的上升时间和下降时间等等。还能测得杂散电感两端的电压，通过下面公式计算出回路中的杂散电感。从而去优化电路回路中的杂散电感。

Us杂散电感两端的电压

Ls杂散电感感值

di/dt母线电流的变化率

双脉冲测试的仿真

言归正传，现在我们来看看双脉冲测试如何仿真。

第一步：在CST里面建立一个空心电感，最好跟实际模型一样，感值在3uH左右，如图

仿真得到感值如图

第二步：CST里面3D建模，把PCB导入，将上面的电感模型加在上管mos的两端，如图

第三步建立DS电路模型，上管MOS驱动信号置低，下管MOS给一个90kHz的双脉冲驱动信号

我们先看一下实测双脉冲波形，黄色通道为母线电流的波形

通过测试我们看第一个斜坡，最大电流158A，di等于158A，时间间隔11.5us左右，dt等于11.5us，绿色信号Vds下降沿的一个豁口电压Us可以直接读出来20V左右，这个就是杂散电感两端的电压，计算得到杂散电感为1.5uH

再来看一下仿真的双脉冲波形图

dt = 11.77us di=154A Us = 21V

最后得出杂散电感为1.6uH

总结

（1）通过仿真和实测波形和数据对比，结果还是比较准确

（2）通过双脉冲仿真可以准确评估开关管的性能，参数，设计需求。

（3）在PCB gerber发给板厂之前我们可以通过仿真去优化PCB的寄生参数，从而达到高效，低成本，低风险的进行产品设计。