【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可滿(mǎn)足。 國(guó)產(chǎn)散熱器廠家其實(shí)就是把鋁型材做出來(lái)，然后把表面弄黑。熱阻這種最基本的參數(shù)他們恐怕從來(lái)就沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)。 如果只考慮散熱功率芯片的輸入輸出電壓差 X電流是芯片的功耗，這就是散熱片的散熱功率。 散熱 3 熱設(shè)計(jì) 由于電 源模塊的轉(zhuǎn)換效率不可能是 100%，因此自身有一定的功耗，電源模塊本身發(fā)熱的高低，主要取決于電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。在一定外殼散熱條件下，電源模塊存在一定的溫升 (即殼溫與環(huán)境溫度的差異 )。電源模塊外殼散熱表面積的大小直接影響溫升。對(duì)于溫升的粗略估計(jì)可以使用這樣的公式：溫升 =熱阻系數(shù) ′模塊功耗。熱阻系數(shù)對(duì)于涂黑紫銅的外殼 P25XXX(用于 SMP1250 系列產(chǎn)品的外殼 )來(lái)說(shuō)約為 176。C/W 。這里的溫升和系數(shù)是在模塊直立，并使下方懸空 1cm，自然空氣流動(dòng)的情況下測(cè)試的。 對(duì)于溫度較高的地方須將模塊降額使用以減小模 塊的功耗，從而減小漸升，保證外殼不超過(guò)極限值。 對(duì)于功率較大的模塊，須加相應(yīng)的散熱器以使模塊的溫升得到下降。不同的散熱器在自然的條件下有不同的對(duì)環(huán)境的熱阻，主要影響散熱器熱阻的因素是散熱器的表面積。同時(shí)考慮到空氣的對(duì)流，如果使用帶有齒的散熱器應(yīng)考慮齒的方向盡量不阻礙空氣的自然對(duì)流，例如：當(dāng)使用的模塊輸出功率為 100W，效率為 82%時(shí)，滿(mǎn)載時(shí)模塊的功耗為： 100/=22W，選用附件中 WS75(75W) 散熱器，其熱阻為 176。C/W, 不考慮原外殼的橫向散熱 ,自然散熱的溫升為′22=42176。 C。 散熱 3 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 Stradale Primosole, 50 95121 Catania, ITALY 電話(huà)： +390957406447。 傳真： +390957406005。 電郵： Email: 摘要 : 功率轉(zhuǎn)換器的功率密度越來(lái)越高，發(fā)熱問(wèn)題越來(lái)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(wèn)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(guò)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(shuō)明書(shū)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(lái)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(wú)法預(yù)先知道功率損耗而無(wú)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(shuō)來(lái)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(kāi)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(lái)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： Pd=K*An?dT/dx () 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。可是這個(gè)公式并沒(méi)有甚麼用處，因?yàn)槊娣e An 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： Pd=?T/Rth () 以及 Rth = ?T/ Pd () 其中 ?T 是從半導(dǎo)體結(jié)至外殼的溫度增量， Pd 是功率損耗，而 Rth 是穩(wěn)態(tài)熱阻。芯片溫度的升高可以用式 () 所示的散熱特性來(lái)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： Zth(t)= Rth?[1exp(t/? )] () 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)=Pd? Zth(t) () 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)=Pavg(t) ? Zth(t) () 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(guò)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(wèn)題。熱阻可以由產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)上得到，它一般是用 “單脈沖作用下的有效瞬態(tài)過(guò)程的熱阻曲線 ”來(lái)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(mén) ”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 為了做到這點(diǎn)，把 MOSFET M1表示成為一個(gè)普通的 Level3 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 27 176。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： Id(G1)=Id(M1) ? f(VGS,VDS,Tj,VTH,) () 在式 ()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(guò)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 Tj(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 Zth(t)，就可以得到模型的溫度。在電路中，熱阻 Zth(t)的數(shù)值是用電壓來(lái)表示的，使用的符號(hào)為 V(Zth(t))。參看模型 G2，現(xiàn)們來(lái)計(jì)算 M1 的瞬時(shí)功率損耗： Pd(t)=VDSG1(t) ?IDG1(t) () 其中 IDG1(t)=IdM1(t) ?f(VGS,VDS,Tj,Vth,) () 在式 ()中， Pd(t) 是 “ELAPLACE”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 Pave(tk)= E(tk)/tk () Pave(tk) 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 Pave(tk) 是變化的，它代表從模擬仿真開(kāi)始到時(shí)刻 tk 這段時(shí)間的功率損耗的平均值。熱阻曲線 Zth(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(lái)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 ?Tjc(t)決定於 Pave(t)，再乘上 Zth(t)。 因此 Tjc(t) 可以用下式表示： Tjc(t)= Pave(t) ? Zth(t).+Tcase () 其中 Tcase 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(lèi)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(zhuān)有的 Mesh OverlayTM 技術(shù)的經(jīng)過(guò)優(yōu)化而制造的產(chǎn)品。下面是它的主要性參數(shù)： BVDSS RDS(on) STP14NK50ZFP (TO220FP) 500V ? 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(guò)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(shuō)明書(shū)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 傳熱過(guò)程中的基本問(wèn)題可以歸結(jié)為： 載熱體用量計(jì)算 傳熱 面積計(jì)算 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。 解決這些問(wèn)題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。 （ 1） 熱量衡算式 根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過(guò)程中的熱量損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。即 Q 熱 =Q 冷， 稱(chēng)為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。 （ 2） 傳熱速率式 換熱器在單位時(shí)間內(nèi)所能交換的熱量稱(chēng)為傳熱速率，以 Q表示，其單位［ W］。實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差△tm 及傳熱面積 S 成正比，即： Q=KS△tm (31) S=nπd L (32) 式 中： Q── 傳熱速率， W； S── 傳熱面積， m2； △tm── 溫度差， 0C； K── 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響， W/m2 ℃ ； n ── 管數(shù)； d ── 管徑， m； L ── 管長(zhǎng)， m。 若將式（ 31）變換成下列形式： Q/S=△tm/(1/K) (33) 式中： △tm── 傳熱過(guò)程的推動(dòng)力， ℃ 1/K ── 傳熱總阻力（熱阻）， m2 ℃/W 。 則單位傳熱面積的傳熱 速率正比于推動(dòng)力，反比于熱阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動(dòng)力和降低熱阻。 另一方