IXFN70N60Q2热仿真分析报告

IXFN70N60Q2热仿真分析报告

编写人：杨志平

Email：phoenixyang2000@

版本：1.0

时间：2007-12-14

一、热分析原因

功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

二、仿真目的

IXFN 70N60Q2 管子用在产品模块输出中，以往分析计算对MOS管发热情况只是在静态工作点上，实际我们的产品工作在一种动态的过程中(例如变化的PWM)，在动态的过程中无法对器件发热进行一个有效计算，本文在cadence软件中pspice软件下对该情况进行一种尝试。

三、仿真模型建立

1. 热容概念的引入

对给定的电路结构来说，有现成的功率估算技术来确定半导体器件的功耗。最常用的功率估算方程是：

P = I × V × D

其中，I是导通周期的平均电流、V是在导通周期通过器件的等效电压、D是占空比。这个公式对静态工作的MOS管计算可以，为确定半导体的结温升，只需将功率简单乘以热阻抗。这种分析的弊端是它过分简化了功率计算且没将瞬态条件(诸如开关动作或动态电路操作)计算在内。

如果MOS管呈现出纯热阻，那么根据R=△T/P,那么△T会随着功率P呈现线性增长。但是实际上增长是非线性的，有输入功率时热量有一个滞后，热量有一个累计的过程，在功率为低时，热量又有一个释放的过程。为了形象的表述这种现象，引入热容的概念，热容总是对功率有一个响应过程。参考IR公司资料, 热容公式计算如下：

C = Tao/R

其中Tao 是高电平持续的时间，R 是热阻。

2. 暂态热阻概念的引入

由于输入脉冲的占空比不同，芯片的暂态热阻也不一样，具体可以参考芯片资料：

图1

在短脉冲时：mb thj mb thj t R Z p

−−→=*lim 0δ（推荐在us 级别）

IXFN70N60Q2热阻热容计算如下：

C=Tao/R=12u*D/0.14*R=85.7u （1）

R=R*D=0.14*D （2）

3. 对模型中Paste 进行考虑：

图2

我们可以从芯片手册中查出θjc参数，它代表从芯片核心到芯片外壳的热阻。图2是一个芯片到环境温度的热模型，参数解释如下： junc：芯片核心温度；subs：芯片封装的温度；case：芯片外壳的温度；paste：芯片和散热器连接直接的空隙温度；sink：芯片散热器温度；AMB:环境温度；

因为加上散热器后，器件热容模型发生很大变化，所以（1）（2）式不够准确，本次模型直到paste为止。我们正常在芯片和散热器之间会涂抹导热硅脂，如果芯片和散热片表明都干净光滑，按经验公式：θjp＝0.1，我们考虑一些误差取θjp＝0.2，空隙间热容忽略不计。

一、 仿真分析过程

1．器件仿真电路搭建：

图3 器件仿真模型

2．热阻热容模型建立

Tj＝P*θjc+Tc

我们把IXFN70N60Q2的功率作为热阻热容的激励输入，Tc为环境温度，Tj为核心温度。

图4

参数解释：

R9:芯片和散热器之间的paste 热阻； R9:芯片暂态热阻；

C3:芯片热容； I2:IXFN70N60Q2功率发生激励；

Tj ：芯片核心温度 Tc ：芯片外壳温度（测试为50度）

1 IXFN70N60Q2功率仿真波形

Time 0s 20us 40us 60us 80us 100us 120us 140us 160us 180us 200us

W(M1)

-50W

0W

50W

100W

150W

200W

250W

图5 芯片的脉冲功率曲线

2 IXFN70N60Q2热仿真波形

Time 0s 20us 40us 60us 80us 100us 120us 140us 160us 180us 200us

-V(A)

0V

20V

40V

60V

80V

100V

图6 占空比D 为50％ Tmax ＝84℃

Time 0s 20us 40us 60us 80us 100us 120us 140us 160us 180us 200us

-V(A)

0V

20V

40V

60V

80V

100V

图7 占空比D 为60％ Tmax ＝92℃

Time 0s 20us 40us 60us 80us 100us 120us 140us 160us 180us 200us

-V(A)

0V

20V

40V

60V

80V

100V

图8 占空比D 为70％ Tmax ＝99℃

Time 0s 20us 40us 60us 80us 100us 120us 140us 160us 180us 200us

-V(A)

0V

20V

40V

60V

80V

100V

120V

图9 占空比D 为80％ Tmax ＝107.5℃