电力电子系统的设计涉及电路和控制算法。而提高功率密度和效率的目标促使人们开发出新的功率转换拓扑的开发。此外，使用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体可实现更快的开关频率和转换速率，同时具有更低的寄生效应。精确的建模和仿真是所有新转换器设计的重要环节，特别是在使用WBG的应用中，更高的开关频率和转换速率带来了更高的效率，但也需要更多地关注瞬态和热性能。在本文中，我们将探讨仿真工具SIMBA的一些功能，可满足开发电源转换器的关键要求。 电力电子器件建模中精度与仿真时间的权衡 模型是器件行为的代表。其目的是预测该器件在特定电路(例如电源转换器)中使用时所呈现的静态、动态、瞬态、热效应和EMI效应。可以确定诸如功耗、过冲电压、电流、达到稳定电压的时间等重要指标。半导体器件制造商通常会在其网站上提供免费的器件模型。考虑到了器件在整个工作范围内的物理行为的详细模型可以准确预测其性能，但通常仿真时间长得令人无法接受，尤其是在复杂电路中使用时。在电力电子系统中，简化的器件模型可以缩短仿真时间，例如分段线性模型，在这种模型的开关事件中开关被视为一个理想器件。此类模型通常可在SIMBA等仿真程序的元器件库中找到。随后可以使用这些器件模型以合理的仿真精度和仿真时间对控制回路进行仿真。 使用器件性能经过测量的预测模型，可以提高非线性和相关影响(例如热阻和结温)的精确度。有时可以通过将电容器或电阻器等附加元件与有源开关串联或并联来表示这种性能，而这些元件遵循特定的性能，例如电压和温度。我们的目标是在不对仿真时间造成重大影响的情况下，创建非线性事件的分段线性近似。因此，仿真软件供应商需要为用户提供灵活性，使其能够利用器件制造商或终端用户的数据来增强其库中的简单器件模型。 SIMBA是什么？ SIMBA由Powersys开发的，大约发布于两年前，是一种用于电力电子电路的预测时间步求解器(predictive time-step solver)。它能找到并使用最佳时间步长查找器(OTSF)来仿真系统的时间常数和事件，而不会影响其精度。OTSF算法在瞬态仿真开始时和每次开关事件后调用。通过与主求解器并行运行的下一个不连续事件时间估计器(NDETE)，可以提高开关事件等不连续事件的时间精度。求解器中采用稀疏矩阵的改进节点分析法使计算时间随节点数量线性增长(而不是像其他仿真工具那样呈二次曲线增长)，因此即使是复杂的转换器拓扑结构也能实现快速仿真。 图1显示了转换器设计所需的全套仿真。SIMBA平台目前能够仿真系统和控制设计功能。图1：电源转换器设计所需的全方位仿真和代码开发，SIMBA目前可以满足系统和控制设计的需求 2023年，SIMBA增加了多项新功能，例如多时间步长求解器、在线工具版本、改进的电机模型和FFT计算。图2显示了SIMBA提供的全面功能集。 图2：SIMBA提供的功能集 使用Python编写脚本 SIMBA的独特功能之一就是用户能够使用Python创建脚本代码，并可以使用大量预置的库和模块。日常任务可以实现自动化，从而减少人为错误。Python中的工具(例如NumPy和Matplotlib)可用于数值计算和数据可视化。aesim.simba SIMBA Python库让用户可以在不使用SIMBA Desktop的情况下运行仿真。在线版本的添加为用户提供了三种不同的方式来运行SIMBA平台的仿真(桌面、aesim.simba以及在线)。在Python脚本的帮助下，参数分析和敏感性分析等重要功能可以自动执行。版本控制和可共享性是aesim.simba的固有特性，用户可在GitHub库中找到许多示例。 SIMBA仿真的一些示例热损失比较 图3显示了一个简单的DC-DC降压转换器的原理图。使用器件制造商提供的热描述文件在SIMBA中执行瞬态仿真。这样就可以对本应用中开关所用的多个英飞凌IGBT的损耗和结温进行即时比较。 图3：通过SIMBA仿真对降压转换器中使用的IGBT进行损耗和结温比较 瞬态仿真 图4(a)显示了在SIMBA上仿真的反激式转换器的原理图。图4(b)所示的瞬态响应结果是在约100ms内仿真得出的，并显示在启动后0.3ms左右实现了稳定电压。 图4：(a)在SIMBA上仿真的反激转换器原理图，(b)输出电压的瞬态响应 电动汽车动力总成效率图 电动汽车(EV)牵引逆变器是使用SiC开关器件来提高效率、功率密度和热性能(尤其是在轻负载“巡航”时)的典型示例。功率转换效率取决于电机负载条件。图5显示了在三相逆变器上执行的仿真：Vbus电压为450V，逆变器开关频率为50kHz，示例中使用的Wolfspeed SiC MOSFET表面温度为80°C。如图所示，改变电机扭矩和转速，可获得效率二维图。 图5：基于SiC MOSFET的牵引逆变器的原理图，以及仿真效率与电机扭矩和速度的函数关系 未来路线图 该公司计划加强和改进未来SIMBA版本中提供的仿真套件。其中包括： 添加磁性和EMI性能仿真 为MOSFET和IGBT等有源器件提供更详细的模型选项，包括SPICE模型兼容性。 Powersys营销总监Frederique Peyret表示：“我们很高兴能够提供一个具有Python脚本功能的电力电子仿真平台。即使对于复杂的参数化仿真，SIMBA平台也能在不影响精度的情况下实现快速仿真。”

本文将开启介绍与用于电子电路仿真的QSPICE软件相关的系列教程。借助理论和实际示例，您将学到有关电子电路仿真的基础知识以及如何更好地使用QSPICE。此外，您还将学习到如何正确解释仿真结果以及如何将程序的功能与其所基于的SPICE语言相集成。本文主要说明了图形编辑器的功能。QSPICE简介QSPICE是一款模拟和混合信号仿真器，具有仿真速度快、精度高、可靠性高等特点。这是一个新的程序，可以在此处下载。QSPICE仍处于原型阶段，正在持续的开发中。该程序使用十分便利，但其功能却非常专业。它可以处理模拟电路、数字电路和混合电路的仿真，最重要的是它还可以处理主电路的仿真，这是当今电子技术中一个重要而广泛的分支。该软件让用户能够轻松创建和修改电子电路，并提供各种分析工具，例如瞬态、直流、交流和噪声分析。用户可以创建自己的电子元件模型，并在软件中使用这些模型来进行非常准确的仿真。设计人员可以在其方案中加入各种电子元件，并通过可扩展菜单将其分为不同类别(请参见图1中的电气图编辑器)。为了加快电气图的绘制过程，可以使用快捷键进行操作。常用快捷键如下所示：W绘制一个连接。G绘制电路的电气接地(连续按键可以更换使用三种不同的符号)。N放置一个连接名称(NET名称)。T放置一个SPICE指令或文本。CTRL+A绘制一个弧线图形。CTRL+B绘制一个矩形图形。CTRL+L绘制一个直线图形。CTRL+3绘制一个三角形图形。  这些组合键在绘制电路图时被广泛使用。QSPICE编辑器是少数几个允许电子元件45°旋转的编辑器之一。当要绘制二极管桥式整流器或其他此类图形时，此功能尤其有用。 图1：QSPICE编辑器是少数几个允许电子元件旋转45°的编辑器之一。QSPICE编辑器可以创建的三种文件在QSPICE中选择一个新文件，可以创建以下任意一种：原理图(qsch)符号(qsym)ASCII网表(cir)这是原理图的三个基本组成部分(见图2)，但毫无疑问，使用最广泛的是第一个。第一个选择用于在软件中创建新的电子原理图。当用户选择“New schematic”(新建原理图)时，将打开一个新的空工作表，代表原理图编辑器的绘图区域。在该工作表中，用户可以使用软件中提供的符号和元件开始设计新的电子电路。通过原理图编辑器，您可以绘制各种电路元件，使用导线将它们连接起来，分配数值并配置元件属性。电子原理图完成后，用户就可以使用仿真软件的其他功能来分析和评估电路的行为。电路图文件的扩展名为“.qsch”。第二个选项 用于创建新的自定义符号。此功能让用户能够创建符号来表示标准软件库中可能没有的特定电子元件。选择“New symbol”(新建符号)后，将打开一个专用于创建符号的工作区。用户可以利用线条、几何形状和文本等绘图工具来创建所需的符号。创建新符号的过程包括在绘图区域内放置各种图形元素并确定其方向。同样，可以使用以下快捷键来加快工作速度：P创建一个引脚。T创建一个文本。CTRL+L创建一条直线。E创建一个椭圆。CTRL+A创建一条弧线。CTRL+3创建一个三角形。CTRL+B创建一个方框。C创建一个线圈。Z创建一个锯齿形。用户可以定义连接点，并为符号的引脚或端子分配名称，以方便与电路中其他元件连接。完成自定义符号后，用户可以将其保存在电子仿真程序库中以备将来使用。电路图文件的扩展名为“.qsym”。第三种选项是创建一个新的ASCII格式的电路网表文件。网表是电子电路连接和元件的文本列表，用作仿真过程的输入。ASCII格式的网表是各种电子仿真软件都可以理解的标准格式，包含元件名称、元件值、元件之间的连接和连接信息等。该选项允许用户将创建的电路导出为标准格式，以便与其他工具或电子电路仿真器配合使用。这有助于将电路集成到更大的工作流中，或与使用不同软件的其他人共享电路。 图2：符号和网表编辑器原理图上对象的选择在QSPICE中，电子原理图中对象的选择非常简单。事实上，只需将鼠标放在所需的对象上即可将其选中，其边缘会有不同颜色的小圆圈突出显示。一旦在图表上选择了一个对象，就会出现可以进行的各种操作。您可以删除元件、导线或图形对象(按DELETE键)，或使用“拖放”将其移动到任何位置。还可以将选定的元件旋转90°、180°甚至45°，最后一个选项非常有用，并且在许多仿真器中经常需要(见图3)。 图3：将元件旋转45°的能力非常有用。选择对象后，只要显示属性“palette”(调色板)，就可以轻松查看和更改元件属性。其中包括符号的类型(R、C、L等)、说明描述、值、库文件(如果有)和引脚名称。QSPICE中的一个非常有用的功能是“Do Not Stuff”(不要填充)选项，该选项允许将特定元件从仿真中排除，即使它存在于电路中(参见图4中的示例)。当您在某个元件上设置该选项后，仿真器在运行仿真时会完全忽略它。在这种情况下，元件以较浅的、几乎透明的颜色显示。因此，您可以通过该选项暂时排除某个元件，而不必物理删除它，以便仿真器忽略它而不影响电路的其余部分。此外，该选项在处理包含可选元件的复杂电路时特别有用，它可用于分析单个元件对电路整体性能的影响。不过，请记住，当您希望在仿真中包含该元件时，应适当重置该选项；否则，最终结果可能会有偏差。 图4：“Do Not Stuff”选项允许您在仿真中排除某个元件。根据元件的类型，您可以选择此功能的行为。具体来说：“Do Not Stuff”将元件从仿真中排除，就好像它不存在于电路中一样。在“Stuff with Jumper”(用跳线填充)中，将设置一个导电跳线(基本上是0Ω的电气连接)来代替该元件，以便绕过它。元件的标准值通常，任何电阻、电容和电感值都可以分配给电子元件。但还有另一种选择，即分配商用的值。只需右键单击所需元件即可选择“标准值”菜单项。如图5所示，显示了一个下拉列表，用户可以在其中选择元件本身商用的值。这样可以加快数值选择速度。对于电阻器，列表中显示的公差为1%。 图5：可以选择元件R、C和L商用的值。将图像插入电路图QSPICE软件提供了一个非常有用的选项，允许您将图形和图像直接插入到原理图中，如图6所示。这一功能并非所有仿真软件都具备，但对于电子设计人员来说却是一大优势。QSPICE中的图形和图像插入选项允许通过额外的视觉元素来丰富原理图。事实上，QSPICE可以导入图标、徽标、图形、照片和自定义符号等图像，并将它们策略性地放置在电路中。这为以图形方式表示特定元件、功能区域或项目特定细节开辟了新的可能。在原理图中添加图形和图像还可以提高参与项目的其他人对电路的理解，并免于图形的后期制作任务。例如，可以插入插图或图表来更清楚地描述元件的运行或显示电路内的信号流。QSPICE允许对图形和图像进行精确定位和大小调整，以适应所需的尺寸。要在原理图中添加图像，只需进入“编辑”菜单，选择“Draw Graphical Annotation”(绘制图形注释)项，然后选择“Image”(图像)项。 图6：在原理图中添加图像有助于提高其可读性。结论QSPICE软件是一款出色的电子仿真解决方案，具有强大的功能、可靠性和易用性。除了广泛的标准功能外，QSPICE还提供创建新符号和自定义元件的功能，允许用户根据自己的特定需求定制软件。然而，与所有电子仿真器一样，要想充分发挥程序的潜力，您最好具备 一定的SPICE语言的基础知识。幸运的是，QSPICE拥有全面、高质量的文档支持，这些文档可以在本地轻松地访问，并提供有关所有功能和程序的详细指导。凭借其创新且有前途的方法，QSPICE作为一款雄心勃勃的新型软件脱颖而出，提供先进且专业的电子仿真体验。

逻辑元件“异或”广泛应用于各种数字设备中。然而，在某些情况下，例如，当使用增加的操作电压时，不可能使用标准芯片。这个问题可以通过使用离散元素来解决。如果标准的AND或or逻辑元件很容易被二极管电阻电路取代，那么XOR元件的情况要复杂得多。值得注意的是，3XOR逻辑门并非由该行业制造。下面将展示如何从一组标准离散元件合成2XOR和3XOR元件。图1显示了如何从2OR和2AND逻辑元件以及VT1晶体管的组合中合成2XOR元件。反过来，元件2OR和2AND可以用它们的来自分立元件的对应物来代替。例如，二极管D1和D2以及电阻器R1和Rload（Rload>>R1）相当于逻辑元件2OR，如图1所示。二极管D3和D4以及电阻器R2等效于2AND逻辑元件。 图1 XOR逻辑元件及其使用离散元件的模拟电路。2XOR元件的第二个变体如图2所示。晶体管Q1和Q2以及电阻器R2用作2AND元件。 图2逻辑元件XOR由离散元件组成。2XOR逻辑元件的以下模拟变体是在场效应（图3）和双极（图4）晶体管上制作的。 图3场效应晶体管上的逻辑元件2XOR。 图4双极晶体管上的逻辑元件2XOR。显然，如果在输入X1和X2处存在“Log.0”电平，则在元件的输出处也将观察到“Log.0“。 当“Log.1”电平的信号被施加到其一个输入端，例如X1，并且“Log.0”电平的电压被施加到输入端X2时，该信号将通过电阻器R1和二极管D1到达器件的输出端Y。当然，输出电压将略低于输入电压，这在大多数情况下对数字设备的操作并不重要，尤其是在高电压区域工作。 当“Log.1”电平信号施加到输入X2，而“Log.0”电平信号施加到输入X1时，也会出现类似的情况。 如果信号为“对数1”，则施加到器件的两个输入端，晶体管Q1和Q2都将断开，并禁止输入信号通过到器件的输出端。3XOR逻辑元件的类似物，如图5和图6，比以前的要复杂得多，但值得考虑的是，由于执行的复杂性增加或其他原因，没有产生微电路形式的此类元件。表1（真值表）根据输入信号的集合来表征3XOR逻辑元件的输出信号电平。 图5双极晶体管上的逻辑元件3XOR。 图6场效应晶体管上的逻辑元件3XOR。 表1 3XOR逻辑元件的真值表。

IGBT广泛应用于各类电力电子设备中，其可靠性一直都是制造商和用户重点关注的问题。为了满足高可靠性的应用需求，模块供应商在持续不断地通过改进设计、应用新材料、升级生产工艺来提升可靠性。而用户更为关注的是在特定的应用条件下IGBT模块的寿命是否满足系统设计要求。那么应该如何进行准确的IGBT模块寿命评估呢？下面我们对这一问题做详细介绍。 1. IGBT模块老化机理 在系统应用中，影响IGBT模块寿命的因素有电气负荷与环境条件（温度，湿度，灰尘，宇宙射线，机械振动等）。 环境因素的影响，不同场合的应用差异可能非常大，具有不确定性。现有研究主要关注IGBT模块在运行过程中自身温度变化对寿命的影响。由于IGBT模块是由多种材料组成，这些材料具有不同的CTE（热膨胀系数）。IGBT运行产生的温度波动会在相邻层产生热机械应力，这种热机械应力是IGBT模块中材料疲劳老化进而失效的根本原因。典型的失效点包括：绑定线根部，芯片金属化层，以及DCB与芯片或铜基板之间的焊接层。 1.1 绑定线疲劳 在反复的热机械应力的冲击下，IGBT模块内部绑定线会产生疲劳现象。图1（a）展示了绑定线根部开裂的失效模式，图1（b）中的绑定线已经完全从IGBT芯片上脱落。在大电流IGBT模块中，一般会使用多根绑定线并联来分担电流，单根绑定线的失效会造成其他并联的绑定线承受更大的电流。根据P=I ^2^ *R，其他绑定线上的损耗也会随之增加，导致更大的热机械应力从而随之失效。绑定线疲劳的另一个后果是随着接触电阻和损耗的增加而导致IGBT或二极管芯片过热失效。 图1 绑定线典型失效形态 1.2 芯片金属化层重构 在IGBT和二极管芯片上都有铝金属化层来实现与DCB（陶瓷基板）及绑定线的连接。在热机械应力的作用下，该金属层会出现铝晶粒挤出现象。图2（a）中红圈中的黑色区域即是这一现象在光学镜头下的体现。而图2（b）则给出了同一芯片的金属化层在经历数万次功率循环前后的微观对比。 金属化层的重构不但会造成本身层电阻增加而导致同样导通电流下的VCE上升，还有可能造成有效的芯片元胞和导通面积减少，从而产生局部的热点或烧熔。 图2 芯片金属化层重构 1.3 焊接层退化 在模块内部，芯片与DCB（陶瓷基板）、DCB与铜基板之间一般通过焊接的方式实现连接，长期的热机械应力会导致焊接层的脆化或开裂（参见图3）。同时焊料与铜层之间形成的合金（Cu5Sn 6 ）同样可能开裂。 图3 焊接层开裂SEM图 另一种常见的焊接层退化的表现形式是焊料中空洞的形成（参见图4），这会影响到工作中芯片产生的热量向外界传递的效率，长期作用下会导致芯片过热失效。 图4 功率循环前后的焊接层超声扫描 2. IGBT模块的功率循环能力 功率循环测试可以加速模拟IGBT模块在实际工作中可能承受的热机械应力，目前被各IGBT模块生产厂商采用以验证新产品的可靠性。赛米控研发的每款IGBT模块在正式发布之前都要通过各种严苛的内外部认证测试，其中功率循环测试是必不可少的一项，而功率循环曲线则是计算模块寿命的基本条件之一，下面我们就针对这两点做详细介绍。 2.1 功率循环测试方法 测试的电气连接如图5所示。测试时先给待测模块接通一个大电流负载I load ，待芯片结温上升到设定值T j（max） 后断开I load ，然后采用小电流Imeasure下的VCE测试电压结合已校准的VCE和Tj曲线来确认结温，并通过外部散热快速冷却降低芯片结温至设定值T j(min) ，断开测试小电流I measure ，再次接通Iload并重复以上过程。 图5 功率循环测试示意图 2.2 功率循环测试参数设置 在功率循环测试中，结温波动幅度（ΔT j =T j,max –T j,min ）是对最终循环次数影响最大的变量。结温波动越大，对于模块内部各层施加的热机械应力越严酷，在失效前模块能够完成的循环次数越少。为保证新产品的认证测试效率，一般生产厂商会选取较大波动值如ΔT j =100K或ΔT j =70K进行功率循环测试。 在同样结温波动条件下，循环测试中的平均结温T m =T j,min +ΔT j /2的设置对于功率循环次数也有重要影响。在ΔTj一定的条件下，平均结温越高，则模块失效前能完成的循环次数越少。 另一个比较重要的参数是每个循环中大电流负载Iload的持续时间T on 。Ton时间越长，则每个周期模块各连接层承受的热机械应力更大，模块失效前能完成的循环次数越少。各个厂商对此参数设置不尽相同。 ** 2.3 **功率循环测试完成标准 上文提到，持续的热机械应力会造成绑定线脱落、芯片金属化层重构及焊接层性能退化等问题，而这些问题会导致模块饱和压降和热阻上升，最终反映到结温的异常升高。在测试过程中一旦模块热阻Rth或是饱和压降VCE增大20%，则判断为模块失效，功率循环测试完成。图6是赛米控某款IGBT模块的功率循环测试结果。 图6 功率循环测试结果 2.4 功率循环寿命曲线 20世纪90年代，瑞士政府资助苏黎世联邦理工学院进行了一项针对IGBT模块的寿命预测项目。该项目对来自欧洲和日本多个厂商的IGBT模块进行了大量的研究和功率循环试验，确定了结温波动对于IGBT模块寿命的影响，并于1997年公布了初版的LESIT功率循环曲线。 图7 LESIT寿命曲线 该曲线实际上描述了不同结温波动条件下模块失效前所能完成的功率循环次数，不同平均结温Tm对应不同曲线。该寿命曲线可用以下方程式表达： LESIT功率循环曲线发布之后的数年间，IGBT模块的材料、结构设计和生产方法都取得了快速进步，这些发展对于可靠性和寿命都有实质性的提升。在2009年，赛米控基于LESIT曲线并结合自身模块技术特点发布了两款改进版的功率循环寿命曲线，分别为标准模块功率循环寿命曲线（图8）和先进模块功率循环寿命曲线（图9）。 图8 标准模块功率循环寿命曲线 图9 先进模块功率循环寿命曲线（采用优化的绑定线设计或银烧结技术） 3. 不同应用中的****IGBT模块寿命计算 **3.1 **负载简单变化应用中的寿命计算 对于大多数常规的工业应用，使用赛米控的热仿真软件SEMISEL并结合相应的功率循环曲线就可以进行简单的寿命计算。这种计算只考虑每个负载周期中最大的温度波动，忽略较小的温度波动。下面举例说明： 某三相电机传动项目中每10秒会出现5秒的2倍过载，之后恢复至额定负载并持续5秒。该项目选用了赛米控的模块SEMiX453GB12E4s。在SEMISEL中基本参数及负载曲线设置如图10所示。 图10 SEMISEL仿真参数设置 启动仿真后，在结果页会直观显示结温波动曲线及芯片结温具体值（图11）。计算出该应用的平均结温T jm =112.5°C及结温波动ΔT j =27°C。 图11 SEMISEL仿真结果 将T jm =112.5°C及ΔT j =27°C代入赛米控先进模块功率循环寿命曲线（图12），可知该应用中IGBT模块的寿命约为1500万次。 图12 利用功率循环曲线估算IGBT寿命 3.2 复杂负载条件下的寿命计算 在电梯、电动汽车以及风力发电等应用中，负载会快速且无规律的变化。以下图为例： 图13 复杂负载条件任务曲线 在这种电流、电压、基频甚至是开关频率同时变化的工况下，需要使用SEMISEL或其他专业热仿真软件对每个工作点进行仿真，计算出功耗并精确使用热阻（或热阻抗）得到每个周期中温度波动曲线，即将任务曲线转化为温度曲线。 图14 复杂负载条件结温波动曲线 可以看到，在基频较低的工况下会发生数次较大结温波动；而在基频较高的工况下会有大量小结温波动发生。对于这种大小波动重叠在一起的温度曲线，目前比较通用的方法是采用雨流算法（Rain flow）将其分解简化为若干个具有不同波动幅度的负载循环，如下图15所示。 图15 雨流算法简化温度波动 将雨流算法简化后的不同温度波动通过对应模块的寿命曲线进行计算，可以得到指定任务周期的循环次数。 需要注意的是，上面这个例子重点是介绍如何使用雨流算法计算复杂工况下的IGBT寿命，图13中温度曲线与图15中简化曲线与并无直接对应关系。  

01 MOS管种类&结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。 MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。下图是MOS管的构造图，通常的原理图中都画成右图所示的样子。（栅极保护用二极管有时不画） MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，如右图所示。这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，在MOS管的驱动电路设计时再详细介绍。 02 MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，使用与源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 下图是瑞萨2SK3418的Vgs电压和Vds电压的关系图。可以看出小电流时，Vgs达到4V，DS间压降已经很小，可以认为导通。 03 MOS开关管损失 不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，因而在DS间流过电流的同时，两端还会有电压（如2SK3418特性图所示），这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。 MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。 下图是MOS管导通时的波形。可以看出，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 04 MOS管驱动 跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。 上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。    

　　什么是IGBT？ IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。 GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上；IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。 IGBT的工作原理是什么？ 　　方法 IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE（sat）的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。 　　导通 IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分）。如等效电路图所示（图1），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET 电流）; 空穴电流（双极）。 　　关断 　　当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高;交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。 　　鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。 　　阻断与闩锁 　　当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的压降高的原因。 　　当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。 IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管，如图所示。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别： 　　当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施： 防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。 降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。 此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。 IGBT的工作特性： IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似。也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs（th） 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds（on） 可用下式表示 Uds（on） = Uj1 + Udr + IdRoh 　　式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。 　　通态电流Ids 可用下式表示： Ids=（1+Bpnp）Imos 　　式中Imos ——流过MOSFET 的电流。 　　由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 　　动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td（on） 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td （on） tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td（off）为关断延迟时间，trv为电压Uds（f）的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而漏极电流的关断时间 t（off）=td（off）+trv十t（f） 　　式中，td（off）与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 　正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。

0、前言 单片机选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择合适，单片机应用系统经济性，可靠性较高；否则易造成经费高，系统性能到不到要求。因此掌握并正确运用单片机选型原则，选择出最能适用于应用系统的单片机，保证单片机应用系统有最高的可靠性,最优的性能价格比,最长的使用寿命和最好的升级换代的方案。        1、需求调研 选型前，首先对自己的需求有所了解，清楚自己需要哪些功能。具体便是确定电路板具有的硬件功能，如CAN、RS232、RS485、网口、USB通讯等，具体数量的IO口，具体类型的串口屏、LCD屏，板载FLASH，SD，音频输出等。 2、性能 如何选择单片机，首先也是最重要的一点就是考虑功能要求，即设计的对象是什么，要完成什么样的 任务，再根据设计任务的复杂程度来决定选择什么样的单片机。 在单片机的性能上有很多要考虑的因素，比如中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内部有无时钟振荡器、有无上电复位功能等等 3、存储器 单片机的存储器可分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。 程序存储器是专门用来存放程序和常数的，有MASK （掩模）ROM、OTPROM、EPROM、FlashROM 等类型。掩模这种形式的程序存储器适用成熟的和大批量生产的产品，如使用到彩色电视机等家电产品中的单片机就采用这种方式，只要用户把应用程序代码交给半导体制造厂家，在生产相应的单片机时将程序固化到芯片中，这种芯片一旦生产出来，程序就无法改变了。 采用EPROM 的单片机具有可以灵活修改程序的优点，但存在需要紫外线擦除、较费时间的缺点。在自己做试验或样机的研发阶段，推荐使用Flash 单片机，它有电写入、电擦除的优点，使得修改程序很方便，可以提高开发速度。对于初具规模的产品可选用OTP 单片机，它不但能免去较长的产品掩模时间，加快产品的上市时间，而且方便程序的修改，能够对产品进行及时的调整和升级。 程序存储器的容量可根据程序的大小确定。对于8位单片机片内程序存储器的最大容量能达到64KB，不够时还可以扩展。选用时程序存储器的容量只要够用就行了，不然会增加成本。 数据存储器是程序在运行中存放临时数据的，掉电后数据即丢失，现在有些型号的单片机提供了EEPROM，可用来存储掉电后需要保护的关键数据，如系统的一些设置参数。 4、运行速度 单片机的运行速度首先看时钟频率，一般情况对于同一种结构的单片机，时钟频率越高速度越快。 其次看单片机CPU 的结构；采用CISC 结构（集中指令集）比采用RISC 结构（精简指令集）的速度要慢。就 是同一种结构、同一种时钟频率的单片机，有时候速度也不一样，比如Winbond （华邦）公司的W77 系列 的51 单片机1个机器周期只要4 个时钟周期，而一般的51 单片机1个周期是12个时钟周期，前者的速度是后者的3倍。 在选用单片机时要根据需要选择速度，不要片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。 5、 I/O （输入/输出）口 I/O 口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，要根据实际需要确定I/O 口的数量，I/O口多余了不仅芯片的体积增大，也增加了成本。选用时还要考虑I/O 口的驱动能力，驱动电流大的单片机可以简化外围电路。 51等系列的单片机下拉（输出低电平）时驱动电流大，但上拉（输出高电平）时驱动电流很小。而PIC 和AVR 系列的单片机每个I/O 口都可以设置方向，当输出口使用时以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强，也使得I/O 口资源灵活、功能强大、可充分利用。当然我们也可以根据I/O 口的功能来设计外围电路，例如用51 单片机驱动数码管，我们选用共阳的数码管就能发挥其输出口下拉驱动电流大的特点。 6、  定时/计数器（I/O） 大部分单片机提供2～3 个定时/计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM （脉冲宽度调制）功能，如AVR 单片机。有的单片机还有专门的PCA （可编程计数器阵列）模块和CCP （输入捕获/输出比较/PWM）模 块，如PIC 和Philips 的部分中高档单片机。利用这些模块不仅可以简化软件设计，而且能少占用CPU 的 资源。 现在还有不少单片机提供了看门狗定时器（WDT），当单片机“死机”后可以复位。 选用时可根据自己的需要和编程要求进行选择，不要片面追求功能多，用不上的功能就等于金钱的浪费。 7、  串行接口 单片机常见的串行接口有：标准UART 接口、增强型UART 接口、I2C 总线接口、CAN 总线接口、SPI接 口、USB 接口等。大部分单片机有串行接口。在没有特别说明的情况下我们常说的串行接口，简称串口， 指的就是UART。 如果系统只用一个单片机芯片时，UART 接口或USB 接口通常用来和计算机或其他芯片通信，不需要和其他设备/芯片通信时可以不用。 SPI接口可用来进行ISP编程，当你没有编程器时，尽量选用带这种接口的单片机，当然SPI接口也能用来和其它外设进行高速串行通信。 I2C 总线是一种两线、双向、可多主机操作的同步总线，IC 总线是一种工业标准，被广泛应用在各种电子产品中，如现在的彩色电视机就采用IC 总线进行参数的设置。具有 IC 总线接口的单片机在使用AT24C01 等串行EEPROM 时可以简化程序设计。 通常情况下使用最多的是UART 接口，其它接口可根据你的需要选择。 8、  模拟电路功能 现在不少单片机内部提供了A/D 转换器、PWM 输出和电压比较器，也有少量的单片机提供了D/A 转换器。单片机在集成片内A/D 转换器的同时，还集成了采样/保持电路，使用户容易建立精密的数据采集系统。 PWM 输出模块可用来产生不同频率和占空比的脉冲信号。利用PWM 输出模块配合RC 滤波电路即可方便实现D/A 输出功能。PWM 输出模块也可以用来实现直流电机的调速等功能。 单片机内部集成的电压比较器可以实现多种功能，例如作阀值检测，实现低成本的A/D 转换器等。 9、 工作电压、功耗 单片机的工作电压最低可以达到1.8V，最高6V，常用的单片机工作电压为4.5V～5.5V，低电压系列为2.7V～5.0V或2.4V～3.6V。选用时根据供电方式确定。 单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流，用电池供电的系统要选用电流小的产品，同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式，如果要用的话必须选择有相应功能的单片机。 10、封装形式 单片机常见的封装形式有：DIP （双列直插式封装）、PLCC （PLCC 要对应插座）、QFP （四侧引脚扁平封装）、SOP （双列小外形贴片封装）等。 做实验时一般选用DIP 封装的，如果选用其它封装，用编程器编程时还配专用的适配器。如果对系统的体积有要求，如遥控器中用的单片机，往往选用QFP和SOP封装的。 11、抗干扰性能、保密性 选用单片机要选择抗干扰性能好的，特别是用在干扰比较大的工业环境中的尤应如此。单片机加密后的保密性能也要好，这样可保证你的知识产权不容易被侵犯。 12、单片机的可开发性 这也是一个十分重要的因素。所选择的单片机是否有足够的开发手段，直接影响到单片机能否顺利开发，以及开发的速度。对于被选择的单片机，应考虑下列问题。 13、开发工具、编程器 有没有集成的开发环境，在支持汇编语言的同时是否支持C 语言，使用C 语言可加快你的开发进度， 另外C语言的移值性也好。 你所选用的单片机有没有编程器支持，或能否采用ISP编程。 14、开发成本 你选择的单片机对应的编程器、仿真器价格是否高，是否要用专用设备，比如有时单片机需要选用专用的编程器，这样你的开发成本就高了。 15、 开发人员的适用性 这也是一个很实际的问题，如果有两种单片机都能解决问题，当然选一种你熟悉的品种。在大多数情况下大家往往优先考虑选择51或STM32系列的单片机。 一般不选用类似小编在用的较冷门的瑞萨单片机，除了开发资料不够丰富外，厂家的技术支持服务也不给力。 16、  技术支持和服务 技术支持和服务可以从下面几个方面进行考虑。 1、技术是否成熟       经大量使用被证明是成熟的产品你可以放心使用。 2、有无技术服务       国内有没有代理商和相应的技术支持，网站提供的资料是否丰富，包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序等。 17、  单片机的可购买性 单片机是否可直接购买到，这是指单片机能否直接从厂家或其代理商处买到，购买的途径是否顺畅。单片机是否有足够的供应量，以保证所选择的单片机能满足产品的生产需要。 选择单片机，还应注意选择那些仍然在生产中的型号，已经停产的单片机是不能使用的，因为它已无后续供货能力，直接影响到产品的继续生产和生命力。同时，也会给人以一种过时的感觉，从而影响产品的新颖性。 最好还要看一下所选用的单片机是否在改进之中，显然，对于准备推出新版本或有新版本的单片机，选择用于应用系统或产品具有较强的后劲。 18、  产品价格 这也是一个重要的因素，在其它条件相当的情况下，当然选择价格低的产品，这样可以提高性价比。   总结 根据上面几个原则对单片机进行选择，就可以选择最能适用于你的应用系统的单片机，从而保证应用系统有最高的可靠性、最优的性价比、最长的使用寿命和最好的升级换代性。

TPS7A6650QDGNRQ1是设计用于高达40伏电压操作的低压差线性稳压器。空载时静态电流只有12微安，非常适合备用微处理器控制单元系统，尤其是在汽车应用。     TPS7A6650QDGNRQ1设备具有集成短路和过电流保护功能。设备在通电时执行重置延迟，以指示输出电压为稳定且处于调节状态。可以使用外部电容器对延迟进行编程。低电压跟踪功能允许更小的输入电容器，并且可以在冷起动条件下，可能不需要使用增压转换器。   TPS7A6650QDGNRQ1设备在–40°C至125°C的温度范围内工作。TPS7A6650EDGNRQ1设备符合AEC-Q100 0级，在-40°C至150°C的温度范围。这些特性非常适合各种汽车应用的电源设备。     产品属性： 产品功能特点： 适合汽车应用 •AEC-Q100测试指南，包括以下内容： –设备温度等级1 –设备温度等级0 （仅限TPS7A6650EDGNRQ1） –设备HBM ESD分类级别H2 –设备CDM ESD分类级别C4 •设备连接温度范围： -40°C至+150°C •4-V至40-V宽Vin输入电压范围高达45伏瞬态 •输出电流：150 mA •低静态电流，I（q）： -2µA，当EN=低时（关机模式） –12µA，轻负载时的典型值 •低ESR陶瓷输出稳定性电容器（2.2µF–100µF） •150 mA时的300 mV压降（典型情况下，V（Vin）=4 V） •固定（3.3-V和5-V）和可调（1.5-V至5-V）输出电压 •低输入电压跟踪 •集成上电复位： –可编程复位脉冲延迟 –开漏复位输出 •集成故障保护： –热关机 –短路保护 •输入电压感测比较器 （仅限TPS7A69-Q1） •包装： –用于TPS7A69-Q1的8针SOIC-D –用于TPS7A6601-Q1的8针HVSSOP-DGN •具有睡眠模式的信息娱乐系统 •车身控制模块 •常开电池应用： –网关应用程序 –遥控门锁系统 –防盗装置   Pin脚和符号图：   框图：   需要注意的是，如果调节器失去调节，输出跟踪输入减去基于负载电流的下降。当输入电压降至UVLO阈值以下时，调节器关闭，直到输入电压恢复到最低启动水平以上。   总之，TPS7A6650QDGNRQ1是一款很不错的低压差稳压器，以上就是它的主要规格参数。如果需要购买或者查看更多参数信息，可以联系我们。