包含热模型的新型MOSFET PSPICE模型

作者：Filippo Di Giovanni, Gaetano Bazzano, Antonio Grimaldi 意法半导体公司

摘要: 功率转换器的功率密度越来越高，发热问题越来越严重，这种功率转换器的设计对现代大功率半导体技术提出了新的挑战。因而热问题的优化设计和验证变得比大功率器件的电模型更加重要，本文提出一种新的Pspice模型，可以利用它计算MOSFET芯片在瞬变过程中的温度。本文提出的模型中所需要的热阻可以从制造商提供的产品使用说明书得到。本文介绍MOSFET的一种新的PSPICE等效热模型，这个模型提供发热和电气参数之间的动态关系。这里提出的模型建立了与许可的热环境的关系，例如，栅极驱动电路、负载、以及散热器的分析与优化设计。可以利用这个模型来改善散热器的设计。由於决定功率损耗的参数参差不齐，与生产制造有关，受生产制造的影响很大，因而散热器的设计往往由於无法预先知道功率损耗而无法进行。

1. 引言 散热器在计算时会出现误差，一般说来主要原因是很难精确地预先知道功率损耗，每只器件的参数参差不齐，并不是一样的，而且在芯片上各处的温度也是不同的。结果是，安全的裕度可能离开最优值很远。现在出现了很多功能很强的模拟仿真工具，因此有可能在预测功率损耗和热设计的校核方面做一些改进。然而，为了确保长期可靠性，运用复杂的限流技术可以更进一步地把最高结温（或者最大功率损耗）维持在一个预定的数值以下。 动态负载变化所引　的任何热响应的改变都可以直接地进行测量，并且用闭路控制的方法来修正。 2. 热阻 发散出去的功率Pd 决定於导热性能，热量流动的面积以及温度梯度，
3. SPICE 的实现 本文提出的模型使用一种不同的PSPICE 模拟量行为模型（ABM）建模技术。事实上，利用这种建模方法，使用者可以用数学的方法建立模型，不必使用更多的资源。 可以看到，由SPICE内的MOSFET模型，并不能以温度结点的形式直接得到温度。然而，可以用图4中所示的“窍门”来解决这个问题。 为了做到这点，把MOSFET M1表示成为一个普通的 Level-3 MOS模型 加上一个电路。 晶体管 M1 仅仅是“感知”温度，温度是指通用的SPICE变量“Temp”。为了评价温度对漏极电流的影响（由M1我们只能够确定在温度“Temp” 例如在 27 °C时，电流随著漏极电压的变化），增加了电路 G1 。这部份电路可以看成是电流受控制的电流产生器：

本文介绍了大功率MOSFET的一种新型的PSPICE电路模型，其中包含热模型，利用这个模型，设计人员可以确定硅芯片在瞬变过程中任何给定时刻的平均温度。这个电路包含电气特性和热特性之间的动态关系。
唯一需要的输入参数可以很容易地从制造商提供的产品说明书中得到。这些参数是热阻、 RDS(on)随温度的变化，等等。 这个模型也可以用於其它的半导体器件，包括双极型晶体管。 可以相信，这里提出的模型可以用於对器件的热性能进行全面的分析，从而改进它的长期可靠性。

7. 致谢 本文作者借此机会感谢在Catania的MOSFET和IGBT产品技术和市场部的宝贵建议和支持。 参考文　 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.

热设计资料料下载：包含模型的新型MOSFET_PSPICE模型.pdf

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