热系统的模型 - 功率半导体结温的仿真估计

热系统的模型通常是一个由Rs和Cs构成的梯形网络，具有一个与图1中的单个脉冲曲线相类似的阶跃冲激响应。绝大多数的MOSFET的数据表中都有图1中所示的梯形网络;而老式的数据表只提供曲线。在这个梯形模型中，功率类似于电流，而温度则与电压相类似。

　　为热分析模型求得的第一项是通道电阻RDS(on)(TJ)，它是温度的函数，所有的MOSFET数据表都以特性曲线的形式提供。利用一个简单的二次方程拟合程序可以提供该模型所需的3个系数：

　　

 

　　仿真器根据器件的Spice模型来计算RDS(on)(25℃)。利用与温度相关的通道电阻的导出值，得到对RDS(on) 产生影响的自升温效应的表达式：

　　

 

　　增加dRDS(on)作为与MOSFET漏极串连的电阻。

　　下一步是计算MOSFET的瞬时功率。忽略门极内连接电阻RG中的开关损耗， 被简化为：

　　

 

　　该功率项被用作为热梯形网络的源(图4)。注意，数字应该是绝对值，因为无论电压或电流的符号正负与否，功耗始终为系统增加热量。该模型的输出是一个对应于TJ的电压。

　　

 

　　图4：瞬态功率的仿真器计算结果作为一个电流源加到热网络上。

　　最后，VTH中相对于额定的25℃门限的变化被简化为：

　　

 

　　该项被表示为一个与MOSFET门极相串联的浮动电压源。

　　利用手头的特性方程产生一个模型是很简单的事情，MOSFET数据表、Spice模型和热网络都可以从制造商获得，最新的MOSFET数据表都包括热网络。然后求出或计算出描述RDS(on)温度系数的二次方程系数。最后，实现包括计算dRDS(on)(TJ)方程，瞬时功率的绝对值，以及dVTH(TJ)的宏模型(图5)。

　　

 

　　图5：完整的准动态热仿真模型提供了靠固定温度仿真和手工热分析无法实现的分析能力。

　　图5中的if-else语句说明仿真期间MOSFET的状态。如果VDS大于100mV，在通道中加入一个1微欧的电阻。该模型假定MOSFET充分导通，如果VDS小于100mV，将加入温度关联度电阻dRDS(on)。在这个简单的模型中，Ta为外壳温度。对这个热网络进行扩展是容易的，不过要包括散热器性能以及它对系统的影响。