功率半导体结温的仿真估计

　　设计师在减轻热问题时常常需要做出很多折衷，包括电源变换拓扑结构的选择、开关频率的选择、半导体封装形式的选择，还有半导体类型、散热方式、变换电路的具体位置、电路板材料以及成本等。

　　在开关模式电路里，对功率半导体功耗的一个较好的一阶估计是：P=DVI。这里I是通过功率半导体的平均传导周期电流，V是器件上的平均传导周期电压，而D则是占空比。

　　在实际电路中，电流是电路的函数，而电压则是电流、器件类型、结温和半导体控制方法的函数。例如，二极管的正向电压只是电流和温度的函数。工作状态中的MOSFET上的电压为IDRDS(on)，即漏极电流与沟道电阻的乘积，RDS(on)则又是ID、栅极驱动和温度的函数。通态中的IGBT上的电压为V=VCE(sat)则是电流栅极驱动和温度的函数。

　　利用功耗乘以热阻来确定半导体的温升。这种分析方法的限制在于它过于简单化了功耗计算，没有考虑瞬态条件。虽然功率器件的数据表里都给出了热响应曲线，但利用它无法克服那些限制(图1)。

　　曲线中假定在占空比为D的功率脉冲为矩形，持续时间t，幅度为P。沿着曲线找到适合于电路占空比的点，对应到代表脉冲持续时间的水平轴的点。再从纵轴上读取热响应，然后用功耗乘以该响应值，便得到从外壳到半导体结的温升。

　　

 

　　图1：，根据功率半导体数据表提供热响应曲线可以计算器件高于外壳温度的升高值。

　　该热响应曲线只能解决从外壳到结的温升。却无法考虑外壳的具体安装方法，安装方法贡献环境温度以上的温升，如完整的热堆模型所指示(图2)。

　　

 

　　图2：功率半导体的热堆包括半导体结、基板、外壳或其他热接触材料、散热器和环境温度。

　　利用电路仿真器能够计算总的热响应，用的是解决问题的每个部分的不同工具和数据源，而不是一部分部分解决问题的方案。该仿真器还允许观察热系统对电路参数性能的影响，而这仅依靠手工计算或数据表分析的方法来实现则是极为困难的。

　　该电路仿真采用元器件模型和网络分析，非常接近每个器件在电路中的真实工作条件。该仿真器自动地计算功率器件的功耗，考虑到了电路的整个工作范围和器件模型，包括门极驱动、开关瞬变以及二极管反向恢复等。

　　不过，传统的电路仿真器计算功率是基于静态的热模型。换句话说， 它们只适应于仅与温度有关的器件行为。这对于低功率IC仿真来说是足够的，因为这种电路中的器件本身只产生很少的温升。但功率半导体有自身的发热，精确的仿真必须考虑器件特性的温度关联性。在静态的25℃器件模型的基础上，加上一个准动态的热分析模型，就可以克服上述的局限性(图3)。

　　

 

　　图3：准动态热分析模型计算了功率器件的参数对温度的关联度。

　　Spice作为电子工程领域中的事实上的仿真器标准，能够实现宏模型中的热封包。常用的其它仿真器也能够实现带宏模型的热封包(thermal wrapper)。可以选择硬件描述语言来实现热封包，这些语言包括用于Ansoft公司Simplorer的VHDL-AMS， Synopsys公司Saber所用的 MAST，还有Cadence公司Spector仿真器所用的 Verilog。由于这些仿真器都可以使用宏模型，本文将重点集中到方案上，并以一个功率MOSFET作为一个实例进行建模。

　　在我们的例子中，热封包必须实现两个与MOSFET参数相关的温度，这些参数包括门限电压VTH，还有充分提升了的通道阻抗，RDS(on)。VTH的温度系数近似为-7 mV/℃。RDS(on)的温度关联性模型用二次方程来描述比较好。实现这些数学关系是容易的，但如何导出激励这些函数的工作温度却是一个挑战。