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电源设计指南:SPICE热模型

2021-10-05 Giovanni Di Maria 阅读:
热模型仿真可用于在热设计的初始阶段进行粗略估计。实现热行为的器件可用于在温度域中处理和产生结果。

SPICE模型没有直接管理系统元器件和热行为的命令。然而,由于特定数学方程的实现,有一些SPICE模型可用于执行与热量有关的仿真。这种模型被定义为“热模型”。热模型仿真可用于在热设计的初始阶段进行粗略估计。实现热行为的器件可用于在温度域中处理和产生结果。UkLednc

SPICE标准模型和热模型

电子元器件的普通SPICE模型描述了典型器件的特性。在大多数情况下,此类模型可以成为评估元器件性能的有用工具。显然,我们无法用其预测所有工作条件下的运行情况,因此也就无法用其对器件在所有条件下的性能进行准确建模,尤其是热条件下的性能。因此,现在就出现了以下两种仿真模型:UkLednc

  • 通用SPICE模型
  • SPICE热模型

前者,在用SPICE语言进行的内部描述中,其特点是仅存在表征该器件的电气和电子端子。例如,下面是一个UF3C065080T3S MOSFET,它仅由三个端子来表征:漏极(nd)、栅极(ng)和源极(ns)。UkLednc

********************** D  G  SUkLednc

.subckt UF3C065080T3S nd ng nsUkLednc

Ld nd nd1 5nUkLednc

Lmd ns1 nd2 2nUkLednc

Ljg ng1 ns3 4nUkLednc

…………UkLednc

xj1 nd1 ng1 ns1 jfet_G3_650V_Ron params: Ron=75m Rgoff=1.3 Rgon=1.3UkLednc

xm1 nd2 ng2 ns2 mfet180UkLednc

.endsUkLednc

另一方面,后者也有典型的热参数和电气参数的文字描述。如下所示,除了MOSFET的常用端子(1=漏极,2=栅极,3=源极)之外,它们还会报告其他热参数,并且这些参数也在该器件的图形模型中:UkLednc

  • Tj
  • Tc
  • Ta

例如,以下是一个SCT3017AL_T MOSFET,它由漏极端子(1)、栅极端子(2)、源极端子(3)、Tj、Tc、Ta来表征。UkLednc

********************D G S Tj Tc TaUkLednc

.SUBCKT SCT3017AL_T 1 2 3 Tj Tc TaUkLednc

.PARAM T0=25 T1=-100 T2=600UkLednc

.FUNC K1(T)     {MIN(MAX(T,T1),T2)}UkLednc

V1  1 11 0UkLednc

L1  3 32 4.1nUkLednc

…………UkLednc

R2  3 32 10UkLednc

C1 23 12 1pUkLednc

C21 Tj Ta 1.234mUkLednc

.ENDS SCT3017AL_TUkLednc

上述两个模型显然已经过简化,因此并不完整。从图1中可以看出,传统SPICE模型与热模型的区别正是标题行,其中列出了该器件的电气端子和/或热端子。UkLednc

UkLednc

图1:传统SPICE模型和热模型。UkLednc

热模型

通常,热模型在仿真中速度较慢,因为除了正常电气和电子行为的计算之外,仿真程序还必须处理系统的所有热方程,这就涉及大量的计算工作。热模型的新端子如下:UkLednc

  • Tc(外壳温度)
  • Tj(结温)
  • Ta(环境温度)
  • Tjd(MOSFET中二极管的结温)

温度连接的工作情况类似电压节点并与电气部分存在电气隔离。某个模型可能具有这些参数中的一些,而不一定是全部。通常,结温包含在模型中,因此用户只需定义“外壳温度”和环境温度。其他时候,还必须由用户定义结温或对其进行查询。热节点Tj和Tjd使用户能够轻松监控仿真结温。通常,不应连接这些节点。热节点Tc包含有关器件外壳的温度信息。UkLednc

请注意,在热模型中:UkLednc

  • 节点中的电压表示温度,以℃表示。
  • 电阻表示热阻,以℃/W表示。

为了完全理解热转换的工作原理,可以将系统想象成一组限制温度作用的电阻器,如2所示。UkLednc

UkLednc

图2:温度根据器件的形状、尺寸和材料从一个器件传递到另一个器件。UkLednc

实际例子

以下的实际示例使用了Cree C3M0060065D SiC MOSFET模型,如图3所示。这个器件采用TO-247-3封装,并具有以下特性:UkLednc

  • Vds:650V
  • ID:37A
  • Id(脉冲):99A
  • RDS(on):60mΩ
  • 可以方便地与其他样本并联
  • 外壳:TO-247-3
  • Vgs:介于–8V和19V之间(推荐电压为:15V[on]、–4V[off])
  • Pd:150W
  • Tj:介于–40℃和175℃之间
  • TL:最高密封温度260℃
  • Rjc:0.99℃/W
  • Rja:40℃/W

UkLednc

图3:Cree的C3M0060065D功率MOSFET。UkLednc

4中的图表显示了一个经典的电子开关,它通过96V的电源为10Ω的电阻负载供电(负载上的电流约为9.6A)。下面来检查下该方案的电气特性:UkLednc

  • MOSFET数据手册推荐的栅极电压(V2):15V
  • 所使用的SiC MOSFET:Cree的C3M0060065D
  • 负载电阻:10Ω
  • 电路电源电压:96V

现在来检查下该方案的热特性:UkLednc

  • 环境温度:25℃
  • 散热器的热阻(R2):20℃/W

因此,尽管接线图使用的是25V电压发生器和20Ω电阻器R2,但此类器件仅用于配置热系统,而不具备电气功能。UkLednc

UkLednc

图4:热原型的接线图。UkLednc

在接线图中,同样使用以下SPICE指令设置节点的初始温度非常重要:UkLednc

.ic V(case_temperature)=25UkLednc

工作温度的计算

器件数据手册指出最高结温为175℃。下面来看看各种散热器在上述电阻负载下的表现如何,同时来看下图5中的图表。当温度系统达到平衡时,仿真程序可以测量以下温度:UkLednc

  • 20℃/W散热器:结温146℃,外壳温度140℃;在大约20秒内达到热平衡。
  • 5℃/W散热器:结温52℃,外壳温度47℃;在大约4秒内达到热平衡。

在任何情况下,该器件都会正常工作,因为其结温低于175℃的上限。使用20℃/W的散热器,MOSFET的运行几乎达到极限。请注意,该图将电压显示为测量单位,但实际上却是在测量温度。如果不使用散热器,或者降低其测量值和性能(例如,20℃/W),则MOSFET将在7秒后损坏,理论热平衡点超过500℃。UkLednc

UkLednc

图5:使用不同类型的散热器测量结温和外壳温度。UkLednc

确定理想的散热器

可以使用步进仿真在所创建的系统中建立和确定最佳散热器类型。要使用的指令是:UkLednc

.step param heatsink 1 40 1UkLednc

据此就可检查所有热阻介于1℃/W和40℃/W之间的散热器的行为,如图6中的图表所示。对于本文中所设计的电路,良好的散热器必须具有介于1℃/W和22℃/W之间的热阻范围。否则,MOSFET将会损坏。UkLednc

UkLednc

图6:不同类型散热器的仿真。UkLednc

SiC MOSFET上的环境温度

设计人员查看MOSFET数据手册会感到安全,因为根据观察其结温可以轻松应对175℃。这似乎确实是一个难以达到的极限。但实际情况却大不相同,在本段中,我们可以观察到环境温度对器件的影响是决定性的。假设上述电路通过以下电气参数和热参数进行表征:UkLednc

  • 热阻为20℃/W的散热器
  • 环境温度介于–40℃和70℃之间(现实情况)

对于这种类型的分析,有必要在精确范围内进行直流仿真,因为环境温度由电压发生器所决定。执行分析的SPICE指令如下:UkLednc

.dc Ambient -40 70 1UkLednc

在图7中,可以观察到MOSFET的结温(Tj)(y轴)相对于环境温度(x轴)的曲线图。如图所示,该电路可以在高达40℃的环境温度下正常工作。高于此值,除非采用更高效的散热器,否则MOSFET可能会受到严重损坏。UkLednc

UkLednc

图7:环境温度对采用SiC MOSFET的系统具有决定性影响。UkLednc

总结

通常,简单的电气和电子分析是不够的,尤其是对于功率器件。温度是大能量系统工作的一个组成部分,忘记将其包含在仿真中是一个严重错误。UkLednc

参考文献

(本文授权编译自EDN电子技术设计姐妹网站Power Electronics News,原文参考链接:Power Supply Design Notes: SPICE Thermal Models。由赵明灿编译。)UkLednc

本文为《电子技术设计》2021年10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里UkLednc

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