热设计建模仿真有助于功率半导体器件的热管理要点

热设计建模仿真有助于功率半导体器件的热管理

电子产品设计师为了在紧凑的空间中开发新的功能，管理电子产品的热耗就变得极为重要，尤其是在电源转换电路设计中，这点更为明显。在大多数应用场合，功率半导体器件(二极管、MOSFET以及IGBT)消耗了主要的热量，也是设计中首要考虑的热源。随着机电技术不断向固态电路应用发展，这种趋势变得更为明显，狭小的空间使得散热变得极为困难。例如，对于像继电器这样的元器件，导通情况下要求的电阻应为1mΩ或者更小。但等效的固态器件(M

电子产品设计师为了在紧凑的空间中开发新的功能，管理电子产品的热耗就变得极为重要，尤其是在电源转换电路设计中，这点更为明显。在大多数应用场合，功率半导体器件(二极管、MOSFET以及IGBT)消耗了主要的热量，也是设计中首要考虑的热源。随着机电技术不断向固态电路应用发展，这种趋势变得更为明显，狭小的空间使得散热变得极为困难。例如，对于像继电器这样的元器件，导通情况下要求的电阻应为1 mΩ或者更小。但等效的固态器件(MOSFET)却有许多优点，如取消了触点损耗，减小了驱动电流要求，简化了电流限制电路，但是其接触电阻将会是继电器的10～100倍，从而导致导通情况下的功耗也相应增加。

所以，热限制因素是设计过程中首要考虑的，从而会产生很多方面的权衡。首先，电路的拓扑结构选择最为关键，主要是如何选择合适的开关频率。就物理外观设计而言，主要考虑半导休的类型、封装以及印制电路极的材料等。还需要考虑产品的工作环境，所能提供的散热措施，如强迫风冷，或者高功率密度应用，如液体冷却。当然所有的闪素中，成本永远是首位的。

由于其复杂性，设计师需依靠功能口益强大的仿真软件来开展产品的热设计。仿真器采用数学模型来进行元器件的功能和性能仿真计算，并不断逼近产品的工作条件。对于功率器件来说，应对功耗进行详细分析，如门驱动方式、开关时间以及二极管的恢复特性等。

传统的电路仿真器基于静态的热模型，能可靠地计算低功耗芯片的性能，但对于功率电路来说，由于其本身发热，这种方法是不够的。在这种情况下，精确的仿真就依赖于器件性能受温度的影响特性。设计师需要增加许多模型来描述器件的工作行为，也就是所谓的热边界。基于此可以得到温度的预测，从而确定不同设计选择下的影响，以完成最终的设计方案。

为了深入理解某种情况下的仿真应用，可采用不断的迭代反复设计，充分考虑功率电路的热分析，从而满足整体的设计要求。

在功率半导体，如二极管、MOSFET、IGBT等器件中，热影响可以通过一些关键的参数来进行建模，如工作电压、负载电流、开关频率以及门驱动电路等，这些热源直接与系统设计过程中的热沉相关，如封装和安装。

在时变电路，如开关电源的设计过程中，半导体器件的一阶功耗可以通过以下

3个量的乘积进行预测：导通期间的平均电压(V)、相应导通期间的平均电流(I)以及占空比(D)，即P=DVI。

当分析电路的时候，电流是电路工作过程中的关键参数，电压是电流、器件类型、结温以及半导体控制方式的函数，例如，导通状态下MOSFET两端的电压可以通过漏电流(ID)以及导通状态下的漏源电阻(RDS(on)乘积而得，而(RDS(on))本身又是门驱动方式电流(ID)和温度的函数。

在这种一阶的分析过程中，半导体温度可以通过功耗与热阻的乘积得到。然而，这种分析过程相对比较简单，因为没有考虑工作过程中的瞬变情况，而该条件并不能忽略。功率电路工作过程中需要承受不断的浪涌电流冲击，尤其是当负载为容性时，这种情况会更为恶劣，在这种情况下，瞬变电流产生的功耗可能会达到稳态分析的数十倍。

这些限制条件可以通过采用热响应曲线来克服，在大多数的功率器件数据手册中，设计师可以根据提供的热响应曲线来初步确定器件在一定脉宽周期、幅度以及工作周期下的功耗。该信息结合功耗预算情况可以初步估计器件从外壳到结点之间的温度变化。

然而，这种方法本身有很多的限制，尤其是在不能描述外壳安装方式的情况下，外壳到结点的温度变化很难准确计算。这种情况可以通过图1中完整的热堆栈模型来说明。