包含熱模型的新型MOSFET PSPICE模型
作者：Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano, Antonio Grimaldi 意法半導(dǎo)體公司
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)計對現(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)計和驗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，這個模型提供發(fā)熱和電氣參數(shù)之間的動態(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)動電路、負(fù)載、以及散熱器的分析與優(yōu)化設(shè)計?？梢岳眠@個模型來改善散熱器的設(shè)計。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)計往往由於無法預(yù)先知道功率損耗而無法進行。
1. 引言 散熱器在計算時會出現(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)了很多功能很強的模擬仿真工具，因此有可能在預(yù)測功率損耗和熱設(shè)計的校核方面做一些改進。然而，為了確保長期可靠性，運用復(fù)雜的限流技術(shù)可以更進一步地把最高結(jié)溫（或者最大功率損耗）維持在一個預(yù)定的數(shù)值以下。 動態(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行測量，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，熱量流動的面積以及溫度梯度，
3. SPICE 的實現(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”來解決這個問題。 為了做到這點，把MOSFET M1表示成為一個普通的 Level-3 MOS模型 加上一個電路。 晶體管 M1 僅僅是“感知”溫度，溫度是指通用的SPICE變量“Temp”。為了評價溫度對漏極電流的影響（由M1我們只能夠確定在溫度“Temp” 例如在 27 °C時，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：
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，利用這個模型，設(shè)計人員可以確定硅芯片在瞬變過程中任何給定時刻的平均溫度。這個電路包含電氣特性和熱特性之間的動態(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器件的熱性能進行全面的分析，從而改進它的長期可靠性。
7. 致謝 本文作者借此機會感謝在Catania的MOSFET和IGBT產(chǎn)品技術(shù)和市場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.
熱設(shè)計資料料下載：包含模型的新型MOSFET_PSPICE模型.pdf
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