使用infineon SPICE模型进行功率MOSFET热仿真

欢迎观看这个关于使用infineon的SPICE模型来进行功率MOSFET仿真的视频，在第二部分，我们会看两个仿真实例。

在这个培训的第一部分，你会看到功率MOSFET结构如何影响热行为。分析Cauer 一维热模型如何集成进SPICE模型。

现在解释两种仿真工况，来演示汽车功率MOSFET的SPICE模型如何工作。

第一是反极性保护，第二是高边开关。

让我们评估MOSFET热响应，观察电路如何处理意料外的操作工况。

首先让我们讨论SPICE仿真。

仿真工具例如infineon Designer, SIMetrix, LT-SPICE, 或其他仿真软件为设计、优化以及分析电路提供有力支持。

这些工具使开发者可以高效建模、分析、优化电路设计。除了电子元件描述，infineon 功率MOSFET level 3 SPICE模型也包含了热模型。这些热模型使用了一维Cauer 阻容网络来模拟MOSFET热行为。

此外，电学模型与热模型链接在一起，允许模拟由于功率耗散造成的自加热的影响，以及温度对一些关键电参数的依赖。

此外，MOSFET level 3 模型接口扩展了标准漏极，源极，栅极引脚，增加了2个附加引脚。

一个引脚是MOSFET内部结温，另一个是封装的热焊盘壳温。

添加外部电路模拟壳到环境的热路径。

最后，SPICE模型集成了热网络可以仿真各种操作工况的热响应。可以观察短时过载工况，评估MOSFET热影响。

要分为两种应用实例，来分析功率MOSFET热行为。

第一个例子是一个控制单位中的反极性保护电路的MOSFET在最大电流持续流过MOSFET时的稳态热行为。

第二个例子是MOSFET在一个电子控制单元中作为高边开关，有一个阻性负载。

在这个例子中，我们会检验一个反极性保护电路里的MOSFET，尤其在电源输入端。

极差情况按如下设置：

最大环境温度设置为95℃，这个参数会被许多因素影响，包括这个控制单元在车辆的安装位置，装置的外壳设计，以及其他环境条件。

流过MOSFET的最大负载电流是30A，驱动器为MOSFET VGS提供最少10V电压，供电电压是48V直流，MOSFET为TOLL封装，PCB为 JEDEC 2s2p，SPICE仿真软件确定当MOSFET处于最差情况运行时的裸片级的稳态结温。

我们考虑下MOSFET安装按JEDEC 2s2p标准设计的在FR4 PCB板卡，PCB为4层板，MOSFET PG-HSOF-8 或 TOLL 封装在漏极焊盘预设了一定数量连接了top与bottom的热过孔，增强top到bottom的散热能力，这样，top与bottom层可以对环境自由对流.

这种情况下，壳到环境热阻大约为18K/W。多数车规级MOSFET，infineon都提供对应封装的热手册，描述标准板卡类型的详细热特性，不同封装类型，以及散热配置。

仿真电路由以下元件组成。输入电压驱动电流流过MOSFET U1，在这个应用里，电流从源极流向漏极，而不是通常的漏极流向源极，通过负载电流，这个定义了MOSFET必须传导的电流。

电压源代表驱动器，提供10V VGS电压以打开MOSFET，为了保持驱动电路尽可能简单，仿真电路不考虑当电池电压反接时MOSFET U1关闭。

电压源被设置为95V，代表环境温度95V，热阻模型为环境温度与壳温建立了热路。电阻代表了MOSFET bottom到环境的热阻。由于我们聚焦结温最大值，不用考虑电路达到稳定的时间，因此仿真没有考虑热容。从而仿真达到稳态时间会小于实际被热容影响的PCB板卡。Tcase传感器可以监控壳温

电容C1只用于仿真，执行MOSFET最差情况的热响应不影响仿真结果。

MOSFET两个参数必须被设置为最大，热阻,漏源导通压降。为了得到最大输出结果，可以将dRDson与dZth都设置为1。

仿真类型设置为DC偏置点分析，因为我们只对最大稳态温度感兴趣。因此，达到稳态的时序是不相关的。

这些来自于仿真包含电路所有稳态电压与电流的输出文件。

MOSFET U1 源极到漏极的电流是30A, 裸芯产生的热量全从热焊盘耗散，从MOSFET到焊锡，到PCB，到环境。该热量与 MOSFET 的 Tcase 引脚处输出电流所导致的功率损耗相对应,在这个例子里，大约为3.3W。

这些寄生损耗是由 MOSFET 在导通状态下产生的导通损耗所引起的。

壳温，由Tcase节点电压表示，约为155℃。

这个温升是由于PCB热阻，大约比环境温度高60K。

考虑前面设置的极差情况，裸芯最大温度是157.1℃，

最重要的发现是MOSFET在允许的极限值范围内操作，最大结温小于最大允许结温175℃。

如仿真所示，控制单元选择MOSFET达到约157℃的稳态结温。

从商业角度，有必要检查是否有其他更好的MOSFET选择，基于同样的技术，同样的封装类型，但是有更小的裸芯对应更高的Rdson内阻。

下一颗更高导通内阻的MOSFET，用同样技术，同样封装类型是这一颗。导通内阻约增加20%。

为进行新测试，需要在原仿真电路中，替换MOSFET，记得设置dZth与dRDSon为1，这会导致Rdson与结壳热阻最大值，其他参数可以保持一致。

MOSFET更高的Rdson会导致稍低的负载电流，然而，流经MOSFET的电流变化可以忽略不计。

重新运行仿真，结果显示，RDson高20%的MOSFET在极差情况下，不适合运行。

电流ISD流经MOSFET保持30A，MOSFET有更高的RDson，导致了更高的功率损耗，如Icase表示的，功率损耗增加到4.7W，比之前的高42%。

增加的功率损耗导致稳态壳温约为180℃，结温达到183℃，超过了最大操作温度的限制。

结温超过允许值8K，因此，更高的RDson MOSFET 不适用于此应用。

第二个例子，我们考虑控制功率分配的域控。域控的一个功能是控制电源到阻性负载的闭合与断开。除了输出为负载提供能量，域控也通过一个快速电流传感器监控输出电流。

在过流条件下，或域控输出检测到短路，MOSFET会与负载断开连接。

在这个仿真里，这样设置条件，正常工况的最大负载电流为20A，短路电流700A。控制器需要在20us的时间窗口里检测故障状态切断故障电流。

最小驱动输出电压为10V，驱动输出上升与下降时间都为35ns。驱动输出到栅极电阻为4.7R。其他条件与第一个例子一致。

PCB热特性主要影响MOSFET稳态壳温。然而，在短路条件下，PCB不影响最大结温，因此，没有必要为仿真加入复杂的PCB热阻模型。

SPICE仿真为了计算当连接负载时发生短路情况的最大结温。仿真同样需要考虑稳态时正常电流导致的MOSFET自加热。

输出电压驱动电流通过MOSFET X1，电流从漏极流向源极，经过负载电阻。

当正常操作1s后，附加电压驱动阻性开关闭合，导致通过MOSFET电流瞬间从20A增加到700A。

在控制器检测故障状态时间20us后，高边驱动被控制器触发断开MOSFET X1。

电压源设置为95V，对应环境温度95℃。热堆叠，由PCB与焊锡组成，在环境温度与MOSFET壳温之间，用热阻模拟。网络中的电压返回结温。

考虑最差情况的MOSFET响应，必须设置MOSFET X1热阻与RDson到最大值。为了捕获MOSFET动作时间，仿真类型设置为瞬态分析。

这是仿真结果，电流流过MOSFET保持20A，知道在1s时发生短路事件。在短路情况下，电流快速升到700A。

由于结温上升导致RDson上升，电流略微下降。

20us后，控制器响应故障状态，切换MOSFET，导致电流掉到0A。

黄色波形显示MOSFET外壳或漏极焊盘的温度，保持大约116℃。这说明在整个短路期间，MOSFET吸收了几乎所有功率损耗，只有很小的热耗散到环境。

只有选取合适MOSFET才能满足短路条件。增强散热系统不能应对这种工况。

减少壳到环境热阻Rthca，在短路时，不会改变仿真结果。

紫色波形显示MOSFET结温。在短路时，传导功率损耗导致结温到116℃，结温与环境温度差值为21K。

在短路状态，结温上升非常快，20us内到达155℃。

MOSFET从闭合状态到断开状态的瞬间产生了附加的开关损耗，导致了结有更大的功率耗散。这可以在温升尖峰里看到。

当电流掉到0A，结开始降温，因为没有加热能量了。

MOSFET结达到最大温度接近162℃，这个温度在MOSFET允许结温范围内。

依据仿真结果，可以看到选择MOSFET是满足应用需求的正确方法。