包含熱模型的新型MOSFET PSPICE模型

　摘要: 功率轉換器的功率密度越來越高，發(fā)熱問題越來越嚴重，這種功率轉換器的設計對現(xiàn)代大功率半導體技術提出了新的挑戰(zhàn)。因而熱問題的優(yōu)化設計和驗證變得比大功率器件的電模型更加重要，本文提出一種新的PSPICE模型，可以利用它計算MOSFET芯片在瞬變過程中的溫度。本文提出的模型中所需要的熱阻可以從制造商提供的產(chǎn)品使用說明書得到。本文介紹MOSFET的一種新的PSPICE 等效熱模型，這個模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動態(tài)關系。這里提出的模型建立了與許可的熱環(huán)境的關系，例如，柵極驅動電路、負載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設計?？梢岳眠@個模型來改善散熱器的設計。由於決定功率損耗的參數(shù)參差不齊，與生產(chǎn)制造有關，受生產(chǎn)制造的影響很大，因而散熱器的設計往往由於無法預先知道功率損耗而無法進行。
　　1. 引言
　　散熱器在計算時會出現(xiàn)誤差，一般說來主要原因是很難精確地預先知道功率損耗，每只器件的參數(shù)參差不齊，并不是一樣的，而且在芯片上各處的溫度也是不同的。結果是，安全的裕度可能離開最優(yōu)值很遠?，F(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強的模擬仿真工具，因此有可能在預測功率損耗和熱設計的校核方面做一些改進。然而，為了確保長期可靠性，運用復雜的限流技術可以更進一步地把最高結溫（或者最大功率損耗）維持在一個預定的數(shù)值以下。 動態(tài)負載變化所引?的任何熱響應的改變都可以直接地進行測量，并且用閉路控制的方法來修正。

　　2. 熱阻
　　發(fā)散出去的功率Pd 決定於導熱性能，熱量流動的面積以及溫度梯度，如下式所示：

　　P_d=K*A_n•dT/dx (2.1)
　　式中 An 是垂直於熱量流動方向的面積，K 是熱導，而T是溫度?？墒沁@個公式并沒有甚麼用處，因為面積An 的數(shù)值我們并不知道。對於一只半導體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示：
　　P_d=?T/R_th (2.2)
　　以及 　　R_th = ?T/ P_d (2.3)
　　其中?T 是從半導體結至外殼的溫度增量，P_d 是功率損耗，而R_th 是穩(wěn)態(tài)熱阻。芯片溫度的升高可以用式(2.2) 所示的散熱特性來確定?？紤]到熱阻與時間兩者之間的關系，我們可以得到下面的公式：
　　Z_th(t)= R_th•[1-exp(-t/t )] (2.4)
　　其中(是所討論器件的半導體結至外殼之間的散熱時間常數(shù)，我們也認為 "Pd" 是在脈沖出現(xiàn)期間的散發(fā)出去的功率。那麼，我們可以得到：
　　?T(t)=P_d• Z_th(t) (2.5)
　　如果 Pd 不是常數(shù)，那麼溫度的瞬態(tài)平均值可以近似地用下式表示：
　　?T(t)=P_avg(t) •Z_th(t) (2.6)
　　其中Pavg(t) 是散發(fā)出去的平均功率。作這個假定是合情合理的，因為瞬態(tài)過程的延續(xù)時間比散熱時間常數(shù)短。由於一只MOSFET的散熱時間常數(shù)為100ms的數(shù)量級，所以一般這并不成其為問題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說明書上得到，它一般是用“單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過程的熱阻曲線”來表示。

圖 1 Zth(t)　瞬態(tài)熱阻

　3. SPICE 的實現(xiàn)
　　本文提出的模型使用一種不同的PSPICE 模擬量行為模型（ABM）建模技術。事實上，利用這種建模方法，使用者可以用數(shù)學的方法建立模型，不必使用更多的資源。
　　可以看到，由SPICE內(nèi)的MOSFET模型，并不能以溫度結點的形式直接得到溫度。然而，可以用圖4中所示的“竅門”來解決這個問題。
　　為了做到這點，把MOSFET M1表示成為一個普通的 Level-3 MOS模型 加上一個電路。 晶體管 M1 僅僅是“感知”溫度，溫度是指通用的SPICE變量“Temp”。為了評價溫度對漏極電流的影響（由M1我們只能夠確定在溫度“Temp” 例如在 27 °C時，電流隨著漏極電壓的變化），增加了電路 G1 。這部份電路可以看成是電流受控制的電流產(chǎn)生器：
I_d(G₁)=I_d(M1) • f(V_GS,V_DS,T_j,V_TH,) (3.1)
　　在式(3.1)中的?數(shù)f的數(shù)學表達式可以從器件的輸出特性通過內(nèi)插法很容易得到。它與M1的模型有關，因而可以建立模擬量行為模型（ABM）。
　　4. 計算 T_j(t)
　　當大功率MOSFET工作在重復脈沖或者單脈沖的情況下，知道了平均功率損耗，然後將功率損耗乘以熱阻 Z_th(t)，就可以得到模型的溫度。在電路中，熱阻 Z_th(t)的數(shù)值是用電壓來表示的，使用的符號為V(Z_th(t))。參看模型G2，現(xiàn)們來計算M1的瞬時功率損耗：
　　P_d(t)=V_DSG1(t) •I_DG1(t) (4.1)
　　其中
　　I_DG1(t)=I_dM1(t) •f(V_GS,V_DS,Tj,V_th,) (4.2)
　　在式(4.1)中，P_d(t) 是“ELAPLA

CE”的輸入量。 "ELAPLACE" 起積分的作用，於是得到消耗的能量 E(t)；由此可以得到平均功率損耗如下
　　P_ave(t_k)= E(t_k)/t_k (4.3)
　　P_ave(t_k) 當然是與時間有關的，因為這個參數(shù)
　　是隨著模擬仿真的進行而改變的。因此，平均功率損耗P_ave(t_k) 是變化的，它代表從模擬仿真開始到時刻tk這段時間的功率損耗的平均值。熱阻曲線Z_th(t) 可以以不同方式納入到這個模型中。我們可以把單個脈沖響應用於Cauer或者 Foster網(wǎng)絡。我們也可采用 a) 列表來表示， b)電壓產(chǎn)生器 VPULSE，c) 一種激勵電壓產(chǎn)生器。芯片溫度增高的平均值 ?T_j-c(t)決定於P_ave(t)，再乘上Z_th(t)。
　　因此Tj-c(t) 可以用下式表示：
　　T_j-c(t)= P_ave(t) •Z_th(t).+T_case (4.4)
　　其中T_case 取等於環(huán)境溫度。
　　5. 模擬仿真結果及測量結果
　　在柵極驅動信號為不同類型的情況下進行了模擬仿真。下面圖中的曲線是模擬仿真的結果。這些模擬仿真的結果是用新的SuperMESHTM STP14NK50ZFP 高電壓MOSFET測量得到的，MOSFET是裝在絕緣的外殼中。 這種MOSFET器件是用本公司專有的Mesh OverlayTM 技術的經(jīng)過優(yōu)化而制造的產(chǎn)品。下面是它的主要性參數(shù)：

BV_DSS