摘要: 功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來越高，發(fā)熱問題越來越嚴(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)品使用說明書得到。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)?？梢岳眠@個(gè)模型來改善散熱器的設(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)往往由於無法預(yù)先知道功率損耗而無法進(jìn)行。
　　1. 引言
　　散熱器在計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差，一般說來主要原因是很難精確地預(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最優(yōu)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)一步地把最高結(jié)溫（或者最大功率損耗）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：

　　P_d=K*A_n•dT/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：
　　P_d=?T/R_th             (2.2)
　　以及 　　R_th = ?T/ P_d          (2.3)
　　其中?T 是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量，P_d 是功率損耗，而R_th 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：
　　Z_th(t)= R_th•[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)=P_d• Z_th(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)=P_avg(t) •Z_th(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題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說明書上得到，它一般是用“單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過程的熱阻曲線”來表示。

圖 1 Zth(t)　瞬態(tài)熱阻

　3. SPICE 的實(shí)現(xiàn) 
　　本文提出的模型使用一種不同的PSPICE 模擬量行為模型（ABM）建模技術(shù)。事實(shí)上，利用這種建模方法，使用者可以用數(shù)學(xué)的方法建立模型，不必使用更多的資源。
　　可以看到，由SPICE內(nèi)的MOSFET模型，并不能以溫度結(jié)點(diǎn)的形式直接得到溫度。然而，可以用圖4中所示的“竅門”來解決這個(gè)問題。
　　為了做到這點(diǎn)，把MOSFET M1表示成為一個(gè)普通的 Level-3 MOS模型 加上一個(gè)電路。 晶體管 M1 僅僅是“感知”溫度，溫度是指通用的SPICE變量“Temp”。為了評(píng)價(jià)溫度對(duì)漏極電流的影響（由M1我們只能夠確定在溫度“Temp” 例如在 27 °C時(shí)，電流隨著漏極電壓的變化），增加了電路 G1 。這部份電路可以看成是電流受控制的電流產(chǎn)生器： 
I_d(G₁)=I_d(M1) • f(V_GS,V_DS,T_j,V_TH,)      (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 T_j(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 Z_th(t)，就可以得到模型的溫度。在電路中，熱阻 Z_th(t)的數(shù)值是用電壓來表示的，使用的符號(hào)為V(Z_th(t))。參看模型G2，現(xiàn)們來計(jì)算M1的瞬時(shí)功率損耗： 
　　P_d(t)=V_DSG1(t) •I_DG1(t)                 (4.1)
　　其中
　　I_DG1(t)=I_dM1(t) •f(V_GS,V_DS,Tj,V_th,)        (4.2)
　　在式(4.1)中，P_d(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 
　　P_ave(t_k)= E(t_k)/t_k                            (4.3)
　　P_ave(t_k) 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P_ave(t_k) 是變化的，它代表從模擬仿真開始到時(shí)刻tk這段時(shí)間的功率損耗的平均值。熱阻曲線Z_th(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 ?T_j-c(t)決定於P_ave(t)，再乘上Z_th(t)。
　　因此Tj-c(t) 可以用下式表示：
　　T_j-c(t)= P_ave(t) •Z_th(t).+T_case  (4.4)
　　其中T_case 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SuperMESHTM STP14NK50ZFP 高電壓MOSFET測(cè)量得到的，MOSFET是裝在絕緣的外殼中。 這種MOSFET器件是用本公司專有的Mesh OverlayTM 技術(shù)的經(jīng)過優(yōu)化而制造的產(chǎn)品。下面是它的主要性參數(shù)：

　　在很寬的溫度范圍上進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7示。
　　

圖 2 不同溫度Tj時(shí)的輸出特性曲線(實(shí)測(cè)結(jié)果)

　　圖 3 在不同的Tj時(shí)的輸出性曲線(模擬結(jié)果)

圖 4　 電路圖

圖 5 在10V時(shí)的RDS(on) (模擬結(jié)果)

 圖 6 　在10V時(shí)的RDS(on) (實(shí)測(cè)結(jié)果)
 

圖7　在10V時(shí)的VDS(on) (模擬結(jié)果)

圖 8 在 10V時(shí)的VDS(on)（實(shí)測(cè)結(jié)果）

圖 9 (從上至下)：
　　A) Tj 隨時(shí)間的變化
　　B,C)　漏極電流 
 

6. 結(jié)論
　　本文介紹了大功率MOSFET的一種新型的 PSPICE電路模型，其中包含熱模型，利用這個(gè)模型，設(shè)計(jì)人員可以確定硅芯片在瞬變過程中任何給定時(shí)刻的平均溫度。這個(gè)電路包含電氣特性和熱特性之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。唯一需要的輸入?yún)?shù)可以很容易地從制造商提供的產(chǎn)品說明書中得到。這些參數(shù)是熱阻、 RDS(on) 隨溫度的變化，等等。 這個(gè)模型也可以用於其它的半導(dǎo)體器件，包括雙極型晶體管。
　　可以相信，這里提出的模型可以用於對(duì)器件的熱性能進(jìn)行全面的分析，從而改進(jìn)它的長(zhǎng)期可靠性。
　　7. 致謝
　　本文作者借此機(jī)會(huì)感謝在Catania的MOSFET和IGBT產(chǎn)品技術(shù)和市場(chǎng) 部的寶貴建議和支持。 
　　參考文
　　1. B.J. Baliga , Modern Power Device.
　　2. Dr. P. Türkes, Dr. M. M?rz, P. Nance, SPICE Models for SIPMOS Components Application Note.
　　3. Jon Mark Hancock Siemens Microelectronics A Hierarchical Cross-Platform Physics Based MOSFET Model for SPICE and SABER.
　　5. Dr. John W. Sofia Fundamentals of Thermal Resistance Measurement.
　　6. Dr. John W. Sofia Electrical Thermal Resistance Measurements for Hybrids and Multi-Chip Packages.