電源設計指南:SPICE熱模型

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb特約作者

熱模型模擬可用於在熱設計的初始階段進行粗略估計。實現熱行為的元件可用於在溫度域中處理和產生結果...

SPICE模型並沒有直接管理系統元件和熱行為的命令。然而,由於特定數學方程方的實現,有一些SPICE模型可用於執行與熱量有關的模擬。這種模型被定義為「熱模型」(thermal models)。熱模型模擬可用於在熱設計的初始階段進行粗略估計。實現熱行為的元件可用於在溫度域中處理和產生結果。

SPICE標準模型和熱模型

電子元件的一般SPICE模型描述了典型元件的特性。在大多數情況下,此類模型可以成為評估元件性能的有用工具。顯然,我們無法用其預測所有工作條件下的運行情況,因此也就無法用其對元件在所有條件下的性能進行準確建模,尤其是熱條件下的性能。因此,目前就出現了以下兩種模擬模型:

  • 通用SPICE模型
  • SPICE熱模型

前者,在以SPICE語言進行的內部描述中,其特點是僅存在表徵該元件的電氣和電子端子。例如,以下是一個UF3C065080T3S MOSFET,它僅由三個端子來表徵:汲極(nd)、閘極(ng)和源極(ns)。

********************** D G S
.subckt UF3C065080T3S nd ng ns
Ld nd nd1 5n
Lmd ns1 nd2 2n
Ljg ng1 ns3 4n
…………
xj1 nd1 ng1 ns1 jfet_G3_650V_Ron params: Ron=75m Rgoff=1.3 Rgon=1.3
xm1 nd2 ng2 ns2 mfet180
.ends

另一方面,後者也有典型的熱參數和電氣參數的文字描述。如下所示,除了MOSFET的常用端子(1=汲極,2=閘極,3=源極)之外,它們還會報告其他熱參數,並且這些參數也在該元件的圖形模型中:

  • Tj
  • Tc
  • Ta

例如,以下是一個SCT3017AL_T MOSFET,它由汲極端子(1)、閘極端子(2)、源極端子(3)、Tj、Tc、Ta來表徵。

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

上述兩個模型顯然已經過簡化,因此並不完整。從1中可以看出,傳統SPICE模型與熱模型的區別正是標題列,其中列出了該元件的電氣端子和/或熱端子。

traditional SPICE model and a thermal model

圖1:傳統SPICE模型和熱模型。

熱模型

通常,熱模型在模擬時的速度較慢,因為除了一般電氣和電子行為的計算之外,模擬程式還必須處理系統的所有熱方程式,這就涉及大量的運算工作。熱模型的新端子如下:

  • Tc (外殼溫度)
  • Tj (接面溫度)
  • Ta (環境溫度)
  • Tjd (MOSFET中二極體的接面溫度)

溫度連接的工作情況類似電壓節點並與電氣部份存在電氣隔離。某個模型可能具有這些參數中的一些,而不一定是全部。通常,接面溫度包含在模型中,因此使用者只需定義「外殼溫度」和環境溫度。其他時候,還必須由用戶定義接面溫度或對其進行查詢。熱節點Tj和Tjd讓用戶能夠輕鬆監控模擬的接面溫度。通常,不應連接這些節點。熱節點Tc包含有關元件外殼的溫度資訊。

請注意,在熱模型中:

  • 節點中的電壓表示溫度,以℃表示。
  • 電阻表示熱阻,以℃/W表示。

為了完全理解熱轉換的工作原理,可以將系統想像成一組限制溫度作用的電阻器,如2所示。

Temperature from one component to another

2:溫度根據元件的形狀、尺寸和材料從一個元件傳遞到另一個元件

實際案例

以下的實際示例使用了Cree C3M0060065D SiC MOSFET模型,如3所示。這個元件採用TO-247-3封裝,並具有以下特性:

  • Vds:650V
  • ID:37A
  • Id (脈衝):99A
  • RDS(on):60mΩ
  • 可以輕鬆地與其他樣本並聯
  • 外殼:TO-247-3
  • Vgs:介於–8V和19V之間(推薦電壓為:15V[on]、–4V[off])
  • Pd:150W
  • Tj:介於–40℃和175℃之間
  • TL:最高密封溫度260℃
  • Rjc:0.99℃/W
  • Rja:40℃/W

CREE's C3M0060065D Power MOSFET

圖3:Cree的C3M0060065D功率MOSFET。

4中的圖表顯示了一個經典的電子開關,它透過96V的電源為10Ω的電阻負載供電(負載上的電流約為9.6A)。以下檢查下該方案的電氣特性:

  • MOSFET資料手冊推薦的閘極電壓(V2):15V
  • 所使用的SiC MOSFET:Cree的C3M0060065D
  • 負載電阻:10Ω
  • 電路電源電壓:96V

接著檢查該方案的熱特性:

  • 環境溫度:25℃
  • 散熱器的熱阻(R2):20℃/W

因此,儘管接線圖使用的是25V電壓產生器和20Ω電阻器R2,但此類元件僅用於配置熱系統,而不具備電氣功能。

Wiring diagram of the thermal prototype

圖4:熱原型的接線圖。

在接線圖中,同樣使用以下SPICE指令設置節點的初始溫度非常重要:

.ic V(case_temperature)=25

工作溫度的計算

元件資料手冊指出最高接面溫度為175℃。一起來看看各種散熱器在上述電阻負載的表現如何,請參考5的圖表。當溫度系統達到平衡時,模擬程式可以測量以下溫度:

  • 20℃/W散熱器:接面溫度146℃,外殼溫度140℃;在大約20秒內達到熱平衡。
  • 5℃/W散熱器:接面溫度52℃,外殼溫度47℃;在大約4秒內達到熱平衡。

在任何情況下,該元件都會正常工作,因為其接面溫度低於175℃的上限。使用20℃/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,但實際上卻是在測量溫度。如果不使用散熱器,或者降低其測量值和性能(例如,20℃/W),則MOSFET將在7秒後損壞,理論熱平衡點超過500℃。

Temperature measurement

圖5:使用不同類型的散熱器測量接面溫度和外殼溫度。

確定理想的散熱器

可以使用步進模擬在所創建的系統中建立和確定最佳的散熱器類型。要使用的指令是:

.step param heatsink 1 40 1

據此就可檢查所有熱阻介於1℃/W和40℃/W之間的散熱器的行為,如6中的圖表所示。對於本文中所設計的電路,良好的散熱器必須具有介於1℃/W和22℃/W之間的熱阻範圍。否則,MOSFET將會損壞。

Simulation of the different types of heatsink

圖6:不同散熱器類型的模擬結果。

SiC MOSFET的環境溫度

設計人員可以放心地查看MOSFET資料手冊,觀察其接面溫度以輕鬆因應175℃。這似乎確實是一個難以達到的極限。但實際情況卻大不相同,在本段中,我們可以觀察到環境溫度對元件的影響是決定性的。假設上述電路透過以下電氣參數和熱參數進行表徵:

  • 熱阻為20℃/W的散熱器
  • 環境溫度介於–40℃和70℃之間(現實情況)

對於這種類型的分析,有必要在精確範圍內進行直流模擬,因為環境溫度由電壓產生器所決定。執行分析的SPICE指令如下:

.dc Ambient -40 70 1

7中,可以觀察到MOSFET的接面溫度(Tj)(y軸)相對於環境溫度(x軸)的曲線圖。如圖所示,該電路可以在高達40℃的環境溫度下正常工作。高於此值,除非採用更高效的散熱器,否則MOSFET可能會受到嚴重損壞。

Ambient temperature's impact

圖7:環境溫度對於採用SiC MOSFET的系統具有決定性影響。

總結

通常,簡單的電氣和電子分析並不夠,尤其是針對功率元件。溫度是大能量系統工作的一個組成部份,如果忘記將其包含在模擬中將導致嚴重失誤。

(參考原文:Power Supply Design Notes: SPICE Thermal Models,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年9月號雜誌

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