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。
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：
- 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)。
********************** D G S
.subckt UF3C065080T3S nd ng ns
Ld nd nd1 5n
Lmd ns1 nd2 2n
Ljg ng1 ns3 4n
…………
xj1 nd1 ng1 ns1 jfet_G3_650V_Ron params: Ron=75m Rgoff=1.3 Rgon=1.3
xm1 nd2 ng2 ns2 mfet180
.ends
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：
- 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。
********************D G S Tj Tc Ta
.SUBCKT SCT3017AL_T 1 2 3 Tj Tc Ta
.PARAM T0=25 T1=-100 T2=600
.FUNC K1(T) {MIN(MAX(T,T1),T2)}
V1 1 11 0
L1 3 32 4.1n
…………
R2 3 32 10
C1 23 12 1p
C21 Tj Ta 1.234m
.ENDS SCT3017AL_T
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。
图1：传统SPICE模型和热模型。
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：
- 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。
请注意，在热模型中：
- 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，如图2所示。
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。
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：
- 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
图3：Cree的C3M0060065D功率MOSFET。
图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：
- 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：
- 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。
图4：热原型的接线图。
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：
.ic V(case_temperature)=25
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：
- 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℃。
图5：使用不同类型的散热器测量结温和外壳温度。
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：
.step param heatsink 1 40 1
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。
图6：不同类型散热器的仿真。
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：
- 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：
.dc Ambient -40 70 1
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。
图7：环境温度对采用SiC MOSFET的系统具有决定性影响。
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。
参考文献
- https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN_2020_17_Simulation_models_of_IGBTs_and_power_silicon_diodes-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4627506bb320175400d34625103
- https://www.infineon.com/dgdl/Thermal+Modeling.pdf?fileId=db3a30431441fb5d011472fd33c70aa3
- https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/discrete/sic/common/how_to_use_thermal_models_an-e.pdf
- https://gansystems.com/wp-content/uploads/2018/05/LTspice-Model-User-Guide.pdf
（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。）
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。
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