包含熱模型的新型MOSFET PSPICE模型

作者：Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano, Antonio Grimaldi 意法半導體公司

摘要: 功率轉換器的功率密度越來越高，發熱問題越來越嚴重，這種功率轉換器的設計對現代大功率半導體技術提出了新的挑戰。因而熱問題的優化設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，這個模型提供發熱和電氣參數之間的動態關系。這里提出的模型建立了與許可的熱環境的關系，例如，柵極驅動電路、負載、以及散熱器的分析與優化設計。可以利用這個模型來改善散熱器的設計。由於決定功率損耗的參數參差不齊，與生產制造有關，受生產制造的影響很大，因而散熱器的設計往往由於無法預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誤差，一般說來主要原因是很難精確地預先知道功率損耗，每只器件的參數參差不齊，并不是一樣的，而且在芯片上各處的溫度也是不同的。結果是，安全的裕度可能離開最優值很遠。現在出現了很多功能很強的模擬仿真工具，因此有可能在預測功率損耗和熱設計的校核方面做一些改進。然而，為了確保長期可靠性，運用復雜的限流技術可以更進一步地把最高結溫（或者最大功率損耗）維持在一個預定的數值以下。 動態負載變化所引　的任何熱響應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 發散出去的功率Pd 決定於導熱性能，熱量流動的面積以及溫度梯度，
3. SPICE 的實現 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。事實上，利用這種建模方法，使用者可以用數學的方法建立模型，不必使用更多的資源。 可以看到，由SPICE內的MOSFET模型，并不能以溫度結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關系。
唯一需要的輸入參數可以很容易地從制造商提供的產品說明書中得到。這些參數是熱阻、 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產品技術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.

熱設計資料料下載：包含模型的新型MOSFET_PSPICE模型.pdf

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