電源設計說明：SPICE熱模型

SPICE 模型沒有直接管理系統(tǒng)組件和熱行為的命令。然而，由于特定數(shù)學方程的實現(xiàn)，有一些 SPICE 模型可用于執(zhí)行與熱量相關的模擬。它們被定義為“熱模型”。熱模型模擬用于在熱設計的初始階段進行粗略估計。實現(xiàn)熱行為的設備可用于在溫度域中處理和產(chǎn)生結(jié)果。

SPICE 標準和熱模型

電子元件的普通 SPICE 模型描述了典型設備的特性。在大多數(shù)情況下，此類模型可以成為評估組件性能的有用工具。顯然，他們無法預測所有工作條件下的運行情況，因此，他們無法準確模擬設備在所有條件下的性能，尤其是熱條件下的性能。因此，今天可以找到以下仿真模型：

• 通用 SPICE 模型
• SPICE 熱模型

前者，在用 SPICE 語言進行的內(nèi)部描述中，其特點是僅存在表征組件的電氣和電子端子。例如，下面是一個 UF3C065080T3S MOSFET，其特征僅在于三個端子：漏極 (nd)、柵極 (ng) 和源極 (ns)。

********************** D G S

.subckt UF3C065080T3S nd ns

Ld nd nd1 5n

Lmd ns1 nd2 2n

Ljg ng1 ns3 4n

…………

xj1 nd1 ng1 ns1 jfet_G3_650V_Ron 參數(shù)：Ron=75m Rgoff=1.3 Rgon=1.3

xm1 nd2 ng2 ns2 mfet180

.ends

另一方面，后者也有典型熱參數(shù)和電氣參數(shù)的文字描述。如您所見，除了 MOSFET 的常用端子（1 = 漏極，2 = 柵極，3 = 源極）之外，它們還報告其他熱參數(shù)，這些參數(shù)也在組件的圖形模型中：

• Tj
• TC
• 塔

例如，以下是 SCT3017AL_T MOSFET，其特征在于端子漏極 (1)、柵極 (2)、源極 (3)、Tj、Tc、Ta。

********************DGS Tj Tc Ta

.SUBCKT SCT3017AL_T 1 2 3 Tj Tc Ta

.PARAM T0=25 T1=-100 T2=600

.FUNC K1(T) {MIN(MAX(T,T1),T2)}

V1 1 11 0

L1 3 32 4.1n

…………

R2 3 32 10

C1 23 12 1p

C21 Tj Ta 1.234m

.ENDS SCT3017AL_T

顯示的模型顯然已經(jīng)過簡化，并不完整。從圖 1 中可以看出，傳統(tǒng) SPICE 模型與熱模型的區(qū)別正是標題行，其中列出了組件的電氣端子和/或熱端子。
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圖 1：傳統(tǒng) SPICE 模型和熱模型

熱模型

通常，熱模型在仿真中較慢，因為除了正常電氣和電子行為的計算之外，仿真器還必須處理系統(tǒng)的所有熱方程，這涉及大量計算工作。熱模型的新端子如下：

• Tc（外殼溫度）
• Tj（結(jié)溫）
• Ta（環(huán)境溫度）
• Tjd（MOSFET 中二極管的結(jié)溫）

溫度連接用作電壓節(jié)點并與電氣部件電隔離。模型可能具有這些參數(shù)中的一些，而不一定是全部。通常，結(jié)溫包含在模型中，因此用戶只需定義“外殼溫度”和環(huán)境溫度。其他時候，還必須由用戶定義或查詢結(jié)溫。熱節(jié)點 Tj 和 Tjd 允許用戶輕松監(jiān)控模擬結(jié)溫。通常，不應連接這些節(jié)點。熱節(jié)點 Tc 包含有關組件外殼的溫度信息。

請注意，在熱模型中：

• 節(jié)點中的電壓表示溫度，以°C 表示。
• 電阻表示熱阻，以°C/W 表示。

為了充分理解熱轉(zhuǎn)變的工作原理，可以將系統(tǒng)想象成一組限制溫度作用的電阻器，如圖 2 所示。

圖 2：溫度根據(jù)其形狀、尺寸和材料從一個組件傳遞到另一個組件。

一個實際例子

以下實際示例使用 Cree C3M0060065D SiC MOSFET 模型，如圖 3 所示。它是采用 TO-247-3 封裝的組件，具有以下特性：

• 電壓：650 伏
• 編號：37
• ID（脈沖）：99 A
• RDS(on): 60 mΩ
• 可以方便地與其他試樣并聯(lián)
• 案例：TO-247-3
• Vgs：介于 –8 V 和 19 V 之間（推薦電壓為：15 V [on]、–4 V [off]）
• 鈀：150 瓦
• Tj：–40°C 至 175°C
• TL：最高密封溫度 260°C
• 熱電偶：0.99°C/W
• 熱：40°C/W

圖 3：Cree 的 C3M0060065D 功率 MOSFET

圖 4 中的圖表顯示了一個經(jīng)典的電子開關，它通過 96 V 的電源提供 10 Ω 的電阻負載（負載上的電流約為 9.6 A）。讓我們檢查一下該方案的電氣特性：

• MOSFET 數(shù)據(jù)表推薦的柵極電壓 (V2)：15 V
• 使用的 SiC MOSFET：Cree 的 C3M0060065D
• 負載電阻：10Ω
• 電路電源電壓：96V

現(xiàn)在讓我們檢查該方案的熱特性：

• 環(huán)境溫度：25°C
• 散熱器熱阻（R2）：20°C/W

因此，盡管接線圖使用了 25 V 的電壓發(fā)生器和 20 Ω 的電阻器 R2，但此類組件僅用于配置熱系統(tǒng)，不具備電氣功能。

圖 4：熱原型的接線圖

在接線圖中，同樣使用以下 SPICE 指令設置節(jié)點的初始溫度非常重要：

.ic V(case_溫度)=25

工作溫度的計算

組件數(shù)據(jù)表指出最高結(jié)溫為 175°C。讓我們看看各種散熱器在上面考慮的電阻負載下的表現(xiàn)如何，同時查看圖 5 的曲線圖。 當溫度系統(tǒng)達到平衡時，模擬器可以測量以下溫度：

• 20°C/W 散熱器：結(jié)溫 146°C，外殼溫度 140°C。在大約 20 秒內(nèi)達到熱平衡。
• 5°C/W 散熱器：結(jié)溫 52°C，外殼溫度 47°C。在大約 4 秒內(nèi)達到熱平衡。

在任何情況下，該組件都會正常工作，因為其結(jié)溫低于 175°C 的上限。使用 20°C/W 的散熱器，MOSFET 的運行幾乎達到極限。請注意，該圖將電壓顯示為測量單位，但實際上，正在測量溫度。如果不使用散熱器，或者降低其測量值和性能（例如，20°C/W），則 MOSFET 將在 7 秒后損壞，理論熱平衡點超過 500°C。

圖 5：測量結(jié)點和外殼的溫度，使用不同類型的散熱器

確定理想的散熱器

步進模擬允許在創(chuàng)建的系統(tǒng)中建立和確定最佳散熱器類型。要使用的指令是：

.step 參數(shù)散熱器 1 40 1

以檢查熱阻介于 1°C/W 和 40°C/W 之間的所有散熱器的行為，如圖 6 中的圖表所示。 對于本文設計的電路，好的散熱器必須具有熱阻熱范圍介于 1°C/W 和 22°C/W 之間。否則，MOSFET 會損壞。

圖 6：不同類型散熱器的模擬

SiC MOSFET 上的環(huán)境溫度

查看 MOSFET 數(shù)據(jù)表的設計人員會感到安全，他們觀察到結(jié)溫可以輕松應對 175°C。這似乎確實是一個難以達到的極限。但實際情況大不相同，在本段中，我們可以觀察到環(huán)境溫度對組件的影響是決定性的。假設前面的電路具有以下電氣和熱參數(shù)的特征：

• 熱阻為 20°C/W 的散熱器
• 環(huán)境溫度介于 –40°C 和 70°C 之間（實際情況）

對于這種類型的分析，有必要在精確范圍內(nèi)進行直流模擬，因為環(huán)境溫度由電壓發(fā)生器決定。執(zhí)行分析的 SPICE 指令如下：

.dc 環(huán)境 -40 70 1

在圖 7 中，可以觀察到 MOSFET 的結(jié)溫 (Tj)（在 y 軸上）相對于環(huán)境溫度（在 x 軸上）的曲線圖。如您所見，該電路可以在高達 40°C 的環(huán)境溫度下正常工作。高于此值，除非采用更高效的散熱器，否則 MOSFET 可能會受到嚴重損壞。

圖 7：環(huán)境溫度對具有 SiC MOSFET 的系統(tǒng)具有決定性影響。

結(jié)論

通常，簡單的電氣和電子分析是不夠的，尤其是對于功率元件。溫度是高能系統(tǒng)如何工作的一個組成部分，忘記將其包含在模擬中是一個嚴重的錯誤。