功率半導(dǎo)體結(jié)溫的仿真估計(jì) - 全文

　　設(shè)計(jì)師在減輕熱問(wèn)題時(shí)常常需要做出很多折衷，包括電源變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇、開(kāi)關(guān)頻率的選擇、半導(dǎo)體封裝形式的選擇，還有半導(dǎo)體類型、散熱方式、變換電路的具體位置、電路板材料以及成本等。

　　在開(kāi)關(guān)模式電路里，對(duì)功率半導(dǎo)體功耗的一個(gè)較好的一階估計(jì)是：P=DVI。這里I是通過(guò)功率半導(dǎo)體的平均傳導(dǎo)周期電流，V是器件上的平均傳導(dǎo)周期電壓，而D則是占空比。

　　在實(shí)際電路中，電流是電路的函數(shù)，而電壓則是電流、器件類型、結(jié)溫和半導(dǎo)體控制方法的函數(shù)。例如，二極管的正向電壓只是電流和溫度的函數(shù)。工作狀態(tài)中的MOSFET上的電壓為IDRDS(on)，即漏極電流與溝道電阻的乘積，RDS(on)則又是ID、柵極驅(qū)動(dòng)和溫度的函數(shù)。通態(tài)中的IGBT上的電壓為V=VCE(sat)則是電流柵極驅(qū)動(dòng)和溫度的函數(shù)。

　　利用功耗乘以熱阻來(lái)確定半導(dǎo)體的溫升。這種分析方法的限制在于它過(guò)于簡(jiǎn)單化了功耗計(jì)算，沒(méi)有考慮瞬態(tài)條件。雖然功率器件的數(shù)據(jù)表里都給出了熱響應(yīng)曲線，但利用它無(wú)法克服那些限制(圖1)。

　　曲線中假定在占空比為D的功率脈沖為矩形，持續(xù)時(shí)間t，幅度為P。沿著曲線找到適合于電路占空比的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)到代表脈沖持續(xù)時(shí)間的水平軸的點(diǎn)。再?gòu)目v軸上讀取熱響應(yīng)，然后用功耗乘以該響應(yīng)值，便得到從外殼到半導(dǎo)體結(jié)的溫升。

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　　圖1：，根據(jù)功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表提供熱響應(yīng)曲線可以計(jì)算器件高于外殼溫度的升高值。

　　該熱響應(yīng)曲線只能解決從外殼到結(jié)的溫升。卻無(wú)法考慮外殼的具體安裝方法，安裝方法貢獻(xiàn)環(huán)境溫度以上的溫升，如完整的熱堆模型所指示(圖2)。

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　　圖2：功率半導(dǎo)體的熱堆包括半導(dǎo)體結(jié)、基板、外殼或其他熱接觸材料、散熱器和環(huán)境溫度。

　　利用電路仿真器能夠計(jì)算總的熱響應(yīng)，用的是解決問(wèn)題的每個(gè)部分的不同工具和數(shù)據(jù)源，而不是一部分部分解決問(wèn)題的方案。該仿真器還允許觀察熱系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù)性能的影響，而這僅依靠手工計(jì)算或數(shù)據(jù)表分析的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)則是極為困難的。

　　該電路仿真采用元器件模型和網(wǎng)絡(luò)分析，非常接近每個(gè)器件在電路中的真實(shí)工作條件。該仿真器自動(dòng)地計(jì)算功率器件的功耗，考慮到了電路的整個(gè)工作范圍和器件模型，包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)瞬變以及二極管反向恢復(fù)等。

　　不過(guò)，傳統(tǒng)的電路仿真器計(jì)算功率是基于靜態(tài)的熱模型。換句話說(shuō)， 它們只適應(yīng)于僅與溫度有關(guān)的器件行為。這對(duì)于低功率IC仿真來(lái)說(shuō)是足夠的，因?yàn)檫@種電路中的器件本身只產(chǎn)生很少的溫升。但功率半導(dǎo)體有自身的發(fā)熱，精確的仿真必須考慮器件特性的溫度關(guān)聯(lián)性。在靜態(tài)的25℃器件模型的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的熱分析模型，就可以克服上述的局限性(圖3)。

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　　圖3：準(zhǔn)動(dòng)態(tài)熱分析模型計(jì)算了功率器件的參數(shù)對(duì)溫度的關(guān)聯(lián)度。

　　Spice作為電子工程領(lǐng)域中的事實(shí)上的仿真器標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)宏模型中的熱封包。常用的其它仿真器也能夠?qū)崿F(xiàn)帶宏模型的熱封包(thermal wrapper)?？梢赃x擇硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)熱封包，這些語(yǔ)言包括用于Ansoft公司Simplorer的VHDL-AMS， Synopsys公司Saber所用的 MAST，還有Cadence公司Spector仿真器所用的 Verilog。由于這些仿真器都可以使用宏模型，本文將重點(diǎn)集中到方案上，并以一個(gè)功率MOSFET作為一個(gè)實(shí)例進(jìn)行建模。

　　在我們的例子中，熱封包必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)與MOSFET參數(shù)相關(guān)的溫度，這些參數(shù)包括門(mén)限電壓VTH，還有充分提升了的通道阻抗，RDS(on)。VTH的溫度系數(shù)近似為-7 mV/℃。RDS(on)的溫度關(guān)聯(lián)性模型用二次方程來(lái)描述比較好。實(shí)現(xiàn)這些數(shù)學(xué)關(guān)系是容易的，但如何導(dǎo)出激勵(lì)這些函數(shù)的工作溫度卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　熱系統(tǒng)的模型通常是一個(gè)由Rs和Cs構(gòu)成的梯形網(wǎng)絡(luò)，具有一個(gè)與圖1中的單個(gè)脈沖曲線相類似的階躍沖激響應(yīng)。絕大多數(shù)的MOSFET的數(shù)據(jù)表中都有圖1中所示的梯形網(wǎng)絡(luò);而老式的數(shù)據(jù)表只提供曲線。在這個(gè)梯形模型中，功率類似于電流，而溫度則與電壓相類似。

　　為熱分析模型求得的第一項(xiàng)是通道電阻RDS(on)(TJ)，它是溫度的函數(shù)，所有的MOSFET數(shù)據(jù)表都以特性曲線的形式提供。利用一個(gè)簡(jiǎn)單的二次方程擬合程序可以提供該模型所需的3個(gè)系數(shù)：

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　　仿真器根據(jù)器件的Spice模型來(lái)計(jì)算RDS(on)(25℃)。利用與溫度相關(guān)的通道電阻的導(dǎo)出值，得到對(duì)RDS(on) 產(chǎn)生影響的自升溫效應(yīng)的表達(dá)式：

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　　增加dRDS(on)作為與MOSFET漏極串連的電阻。

　　下一步是計(jì)算MOSFET的瞬時(shí)功率。忽略門(mén)極內(nèi)連接電阻RG中的開(kāi)關(guān)損耗， 被簡(jiǎn)化為：

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　　該功率項(xiàng)被用作為熱梯形網(wǎng)絡(luò)的源(圖4)。注意，數(shù)字應(yīng)該是絕對(duì)值，因?yàn)闊o(wú)論電壓或電流的符號(hào)正負(fù)與否，功耗始終為系統(tǒng)增加熱量。該模型的輸出是一個(gè)對(duì)應(yīng)于TJ的電壓。

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　　圖4：瞬態(tài)功率的仿真器計(jì)算結(jié)果作為一個(gè)電流源加到熱網(wǎng)絡(luò)上。

　　最后，VTH中相對(duì)于額定的25℃門(mén)限的變化被簡(jiǎn)化為：

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　　該項(xiàng)被表示為一個(gè)與MOSFET門(mén)極相串聯(lián)的浮動(dòng)電壓源。

　　利用手頭的特性方程產(chǎn)生一個(gè)模型是很簡(jiǎn)單的事情，MOSFET數(shù)據(jù)表、Spice模型和熱網(wǎng)絡(luò)都可以從制造商獲得，最新的MOSFET數(shù)據(jù)表都包括熱網(wǎng)絡(luò)。然后求出或計(jì)算出描述RDS(on)溫度系數(shù)的二次方程系數(shù)。最后，實(shí)現(xiàn)包括計(jì)算dRDS(on)(TJ)方程，瞬時(shí)功率的絕對(duì)值，以及dVTH(TJ)的宏模型(圖5)。

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　　圖5：完整的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)熱仿真模型提供了靠固定溫度仿真和手工熱分析無(wú)法實(shí)現(xiàn)的分析能力。

　　圖5中的if-else語(yǔ)句說(shuō)明仿真期間MOSFET的狀態(tài)。如果VDS大于100mV，在通道中加入一個(gè)1微歐的電阻。該模型假定MOSFET充分導(dǎo)通，如果VDS小于100mV，將加入溫度關(guān)聯(lián)度電阻dRDS(on)。在這個(gè)簡(jiǎn)單的模型中，Ta為外殼溫度。對(duì)這個(gè)熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展是容易的，不過(guò)要包括散熱器性能以及它對(duì)系統(tǒng)的影響。