包含熱模型的新型MOSFET PSPICE模型-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯包含熱模型的新型MOSFETPSPICE模型-基礎(chǔ)電子摘要:功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來(lái)越高，發(fā)熱問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，這種功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)代大功率半導(dǎo)體技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。因而熱問(wèn)題的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(jì)算MOSFET芯片在瞬變過(guò)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(shuō)明書(shū)得到。本文介紹MOSFET的一種新的PSPICE等效熱模型，這個(gè)模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。這里提出的模型建立了與許可的熱環(huán)境的關(guān)系，例如，柵極驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以利用這個(gè)模型來(lái)改善散熱器的設(shè)計(jì)。由於決定功率損耗的參數(shù)參差不齊，與生產(chǎn)制造有關(guān)，受生產(chǎn)制造的影響很大，因而散熱器的設(shè)計(jì)往往由於無(wú)法預(yù)先知道功率損耗而無(wú)法進(jìn)行。1.引言散熱器在計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差，一般說(shuō)來(lái)主要原因是很難地預(yù)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(jié)果是，安全的裕度可能離開(kāi)值很遠(yuǎn)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了很多功能很強(qiáng)的模擬仿真工具，因此有可能在預(yù)測(cè)功率損耗和熱設(shè)計(jì)的校核方面做一些改進(jìn)。然而，為了確保長(zhǎng)期可靠性，運(yùn)用復(fù)雜的限流技術(shù)可以更進(jìn)一步地把結(jié)溫（或者功率損耗）維持在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值以下。動(dòng)態(tài)負(fù)載變化所引的任何熱響應(yīng)的改變都可以直接地進(jìn)行測(cè)量，并且用閉路控制的方法來(lái)修正。2.熱阻發(fā)散出去的功率Pd決定於導(dǎo)熱性能，熱量流動(dòng)的面積以及溫度梯度，如下式所示：Pd=K*AndT/dx(2.1)式中An是垂直於熱量流動(dòng)方向的面積，K是熱導(dǎo)，而T是溫度?？墒沁@個(gè)公式并沒(méi)有甚麼用處，因?yàn)槊娣eAn的數(shù)值我們并不知道。對(duì)於一只半導(dǎo)體器件，散發(fā)出去的功率可以用下式表示：Pd=T/Rth(2.2)以及Rth=T/Pd(2.3)其中T是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量，Pd是功率損耗，而Rth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(lái)確定?？紤]到熱阻與時(shí)間兩者之間的關(guān)系，我們可以得到下面的公式：Zth(t)=Rth[1-exp(-t/t)](2.4)其中(是所討論器件的半導(dǎo)體結(jié)至外殼之間的散熱時(shí)間常數(shù)，我們也認(rèn)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)=PdZth(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)=Pavg(t)Zth(t)(2.6)其中Pavg(t)是散發(fā)出去的平均功率。作這個(gè)假定是合情合理的，因?yàn)樗矐B(tài)過(guò)程的延續(xù)時(shí)間比散熱時(shí)間常數(shù)短。由於一只MOSFET的散熱時(shí)間常數(shù)為100ms的數(shù)量級(jí)，所以一般這并不成其為問(wèn)題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)上得到，它一般是用“單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過(guò)程的熱阻曲線”來(lái)表示。

Id(G1)=Id(M1)f(VGS,VDS,Tj,VTH,)

(3.1)在式(3.1)中的?數(shù)f的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以從器件的輸出特性通過(guò)內(nèi)插法很容易得到。它與M1的模型有關(guān)，因而可以建立模擬量行為模型（ABM）。4.計(jì)算Tj(t)當(dāng)大功率MOSFET工作在重復(fù)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Zth(t)，就可以得到模型的溫度。在電路中，熱阻Zth(t)的數(shù)值是用電壓來(lái)表示的，使用的符號(hào)為V(Zth(t))。參看模型G2，現(xiàn)們來(lái)計(jì)算M1的瞬時(shí)功率損耗：Pd(t)=VDSG1(t)IDG1(t)(4.1)其中IDG1(t)=IdM1(t)f(VGS,VDS,Tj,Vth,)(4.2)在式(4.1)中，Pd(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Pave(tk)=E(tk)/tk(4.3)Pave(tk)當(dāng)然是與時(shí)間有關(guān)的，因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)是隨著模擬仿真的進(jìn)行而改變的。因此，平均功率損耗Pave(tk)是變化的，它代表從模擬仿真開(kāi)始到時(shí)刻tk這段時(shí)間的功率損耗的平均值。熱阻曲線Zth(t)可以以不同方式納入到這個(gè)模型中。我們可以把單個(gè)脈沖響應(yīng)用於Cauer或者Foster網(wǎng)絡(luò)。我們也可采用a)列表來(lái)表示，b)電壓產(chǎn)生器VPULSE，c)一種激勵(lì)電壓產(chǎn)生器。芯片溫度增高的平均值Tj-c(t)決定於Pave(t)，再乘上Zth(t)。因此Tj-c(t)可以用下式表示：Tj-c(t)=Pave(t)Zth(t).+Tcase(4.4)其中Tcase取等於環(huán)境溫度。5.模擬仿真結(jié)果及測(cè)量結(jié)果在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為不同類型的情況下進(jìn)行了模擬仿真。下面圖中的曲線是模擬仿真的結(jié)果。這些模擬仿真的結(jié)果是用新的SuperMESHTMSTP14NK50ZFP高電壓MOSFET測(cè)量得到