MOSFET热模型与仿真

1. 引言

由于高功率密度导致的大量散热，电力电子系统需要设计高效的热管理。系统组件的温度，包括功率器件、电容器和散热器，极大地影响了系统的可靠性和性能。因此，热建模对于预测和优化电力电子系统的热行为至关重要。

对功率半导体的成本效益、鲁棒性和高功率密度的需求日益增长，这要求优化热特性和电特性。

因此，目前有几种类型的热模拟模型可用于促进这一优化过程。

本应用说明详细介绍了目前使用的仿真模型，强调了电气和热部件特性之间的动态联系。重点将放在导致发热的相关操作状态下的热模拟上，提供真实世界条件的准确近似值。值得注意的是，本应用说明仅关注MOSFET，因此，所有示例和场景都与MOSFET有关。

目前，仿真是设计电气系统最重要的工具。在电力电子系统中，热和电参数同等重要。温度在此类系统中是一个非常重要的参数，因为功率半导体的几个特性高度依赖于温度。重点对于MOSFET，这些特性包括最大结温（Tj）、寿命、漏极-源极导通电阻（RDS（on））和栅极阈值电压（VGS（th））[1]。

这里提供的关键热模型和仿真工具包括Cauer模型和SPICE仿真模型，将在后续章节中进一步详细讨论。

2. 重要参数

术语“热”仅表示温度。在上一章中，我们简要讨论了一些受温度显著影响的重要参数。现在，我们将深入研究这些参数。

2.1 最大结温(Tj,max)

所有半导体元件都指定了最高结温，超过这个阈值可能会导致元件破坏或永久损坏。确保即使在雪崩或短路等临时事件中，也不超过最大允许结温至关重要。传统方法，如使用Zth图，在解决这个问题时可能非常具有挑战性。根据AEC-Q101，对于汽车MOSFET，结温极限通常为175°C，持续时间可达到1000小时。在任何情况下都不得超过极限值，因为这样做可能会大大缩短器件的寿命并影响其正常运行。汽车功率MOSFET的温度下限通常在-55°C左右。

2.2 寿命

安全工作范围内的温度波动显著影响半导体元件的寿命。温度的每次变化都会给组件带来机械应力，特别是影响焊料和键合连接。这里的关键方面不是绝对温度，而是温度循环。作为一般准则，可以观察到，组件的老化与温度偏差的四次幂成正比。

2.3 漏源极导通阻抗(RDS(on))

漏极-源极导通电阻（RDS（ON））是MOSFET的一个关键参数，表示在指定的栅极-源极电压、漏极电流和结温下MOSFET导通时的电阻。该参数在生产过程中在指定条件下进行100%测试。值得注意的是，当温度从25°C升高到150°C时，MOSFET的RDS（导通）和传导损耗大约翻了一番。

2.4 栅极阈值电压(VGS(th))

栅极阈值电压指定了在给定结温与指定漏极电流下所需的栅极-源极电压。该参数在特定条件下在生产过程中进行100%测试，并在数据表中详细说明为最小、典型和最大额定值。随着温度的升高，MOSF