对浪涌电流导致的MOSFET发热的仿真分析

　　在大多数应用中，虽然机电继电器在历史上一直是主要的负载开关，但随着技术进步，MOSFET的导通电阻已近于理想开关(RDS(ON)=0Ω)，所以，近几年MOSFET在蚕食继电器的领地。但MOSFET的导通电阻仍大于相应的继电器导通电阻。这样，当采用MOSFET进行设计时，就要将热问题考虑在内。

　　当驱动控制的是容性负载时，热因素就变得更加重要。控制容性负载时产生的浪涌电流可变得足够大(约是稳态电流的10倍)从而导致MOSFET的结温(度)升超过其允许值。这样，当要在一系列电气和环境条件下预测结温度时，模拟就是个非常有用的方法。

　　预测MOSFET结温度有几种方法，但大多依赖一个固定的方程组，当电路结构改变时，必须要重写方程组。另外，许多技术没将电路系统内电和热的相互作用因素考虑在内。但已有一种采用准动态MOSFET模型进行模拟的方法，它不仅支持有效分析各种电路结构且还将电热相互作用因素计算在内。

　　电机开关vs.固态开关

　　采用MOSFET代替继电器的好处在于：它们没有接触损耗；它们可由小电流小功率驱动电路控制；它们可用PWM方法控制以减小浪涌电流；另外，在大电流应用中，它们可与控制电路做在一块PCB上。

　　但继电器的接触阻抗小于1mΩ；而基于电压等级和技术，MOSFET的导通阻抗在几mΩ到几百mΩ间。所以，当驱动容性负载时，继电器可承受很大的浪涌电流。另外，因MOSFET在截止状态通过体二极管(body diode)也会反向导通，所以单一一个MOSFET无法用作一个双向开关。为实现双向工作，需两个背对背以反向接在一起的MOSFET构成一个双向开关。图1图解说明了双向开关和高端直流开关设置。

　　估算MOSFET的结温度

　　对给定的电路结构来说，有现成的功率估算技术来确定半导体器件的功耗。常用的功率估算方程是：

　　其中，I是导通周期的平均电流、V是在导通周期通过器件的等效电压、D是占空比。

　　在实际电路中，参数I是电路工作的函数。参数V是多个参数的函数，这些参数是：参数I、半导体类别、裸片结温度以及器件控制方法。为将该方程应用于二极管，使V=VD，其中VD是IDIODE和温度的函数。对MOSFET来说(在导通态)，VDS=IDS×RDS(ON)；其中，RDS(ON)是IDS、VG和器件温度的函数。对导通态的IGBT来说，V=VCE(SAT)；其中，VCE(SAT)是ICE、VG和器件温度的函数。为确定半导体的结温升，只需将功率简单乘以热阻抗。这种分析的弊端是它过分简化了功率计算且没将瞬态条件(诸如开关动作或动态电路操作)计算在内。

　　若采用这种简单化的功率模型确定瞬态结温升，要假定一个脉宽为t、占空比为D的矩形功率脉冲。P要乘以在给定脉宽下由全部相关功耗路径所呈现出的联合热阻抗值。

　　图2表示的是基于动态模型包括了热阻抗的MOSFET热阻抗曲线。X轴代表脉宽t，Y轴代表MOSFET的壳和结的热阻抗差。该图表显示了各种不同D值的一组热阻抗曲线。将P乘以相应的热阻抗值(θ)就得出结温将比壳温升高多少。

　　这种结温估算方法的问题是，若热阻抗曲线是按从结到壳给出的(就象TO-220和TO-247封装)，则它并没将壳对于环境温度的温升考虑在内。仅仅简单假定壳温就等于环境温度(*BIENT)是不够的。图3给出了MOSFET热系统的物理解读。

　　模拟MOSFET的结温度

　　电路模拟使用复杂的元件模型加之网络分析，从而为电路中的每一元素呈现一个与实际工作状况相近的近似。所以，模拟器将自动计算器件功耗，自动将门驱动、开关跳变和二极管反向恢复等现象作为电路工作中应该关注的因素考虑在内。传统的电路模拟基于静态热模型来实现功率计算，所谓静态热模型是指当器件变热时，器件的一些方面并不改变。作为温度函数，模型性能没有改变。当在自发热无关紧要的IC层次执行电路模拟时，该方法足够了。但功率半导体的确自己发热，它消耗的功耗以瓦计；而IC层面的晶体管和二极管的功耗仅为毫瓦或微瓦级。为规避仅体现静态热行为的半导体元件模型所带来的限制，在25℃热静态模型上添加了一个准动态热“包裹”模型。

　　Spice是电子工程领域实际上的标准模拟器；但也有不以Spice为基础的支持硬件描述语言的其它模拟器。可通过几种方式为静态模型添加准动态包裹(图4)。若采用Spice则可使用宏建模技术。若使用的是Simplorer、Saber或Spector等模拟器，可用其各自相应的硬件描述语言直接实现方程。另一种方法，所有模拟器都可采用宏建模方法，该方法易实现但有某些限制，限制取决于模拟器的宏建模能力。下面的讨论将以MOSFET为例子，集中在宏建模方法。

　　热动态MOSFET模型

　　可用“包裹”方法实现两个与温度有关的MOSFET参数。它们是MOSFET处在完全开启态(也即在导通态)下的门限电压(VTH)及RDS(ON)值。

　　门限电压以约-7mV/℃的水平增加；而RDS(ON)与温度呈平缓的二次关系。这些关系可在数学上容易地表述；但在模拟中若要从这些关系中推导出温度是项充满挑战的任务。

　　热网络一般是阶梯形，它包含步进响应(step response)类似图2中单脉冲曲线的热阻抗和容抗。图2还表示了该热RC阶梯网络，许多新MOSFET热数据手册中已包含了诸如此类网络。老的MOSFET数据手册省略了阶梯网络，但可从单脉冲曲线中合成出阶梯网络。

　　从网络模型中要得到的个信息是RDS(ON)与TJ的关系。所有MOSFET数据手册都包括一个RDS(ON)与TJ的关系曲线，另外，有基于二次方程通过曲线上的三个点(如图5中所示)对其进行拟合的算法。例如，一个简单二次曲线拟合算法可利用RDS(ON)与TJ关系曲线估算如下方程的系数：

　　在此，由MOSFET门阻抗(RG)引起的开关损耗被忽略不计。由方程5算出的功率被带入图2中的热网络插入(inset)。对Spice模拟器来说，功率类比与电流、温度类比与电压。所以，一个功率/电流源驱动该热网络。

　　注意：图6底下这部分的块。因功耗总会致使系统更热而非降温，所以需要这种处理。TJ是功率/电流源节点的温度/电压。，加入了门限电压的温度关联性。门限电压温度VTH由简单线性关系表征：

　　在方程6中，TJ-25℃代表在25℃表征的Spice模型。既然用于表征的方程一直是推导出的，必须将它们整合在一起生成模型。可通过如下步骤实现：

　　步：拿到MOSFET数据手册。第二步：得到该MOSFET的25℃ Spice模型。第三步：得到该MOSFET的热网络模型(新近的MOSFET数据手册包含这些热网络)。第四步：得到依赖温度的RDS(ON)曲线。第五步：实现宏模型，包括方程4、5和6以及图6的上边部分。注意：在图6的上边部分，方程6中的VTH是与MOSFET的门串放在一起的电压源值。

　　图6中的“if-else”语句演绎的是模拟时，MOSFET的状态。若VDS大于100mV，则为该信道增加一个1μΩ阻抗。若VDS小于100mV，则假定MOSFET处在导通态，并加上依赖温度的dRDS(ON)。*BIENT是壳的环境温度。在该模型中，使壳温等于*BIENT；但，可容易地扩展该热网络以包括系统的散热效应。

　　建模实例：高端开关

　　为解读动态电热建模方法在功率开关应用中如何在选取、驱动并散热MOSFET中发挥积极效用，驱动容性负载的高端开关是个好例子。在该例中，负载是一个有大容量输入电容的电源。

　　图7显示的是PVI1050N光伏隔离器的行为模型，它由一个等效的集电极/漏级开路晶体管控制。STATE1、STATE2和TRANS1触发并控制开关S1。C1和R2模拟PCB负载。R2得到10.8A的稳态负载，而C1代表电源的大电容。IGATE、VGS和PWR_FET分别是电流、电压和功率探针。IRFP4232是准动态MOSFET模型，它是采用前述方法建构的。图中显示的连接MOSFET的散热片是一片TO-247，其建模后的热阻抗是4.7℃/W。通过散热片的壳体到环境热通路的热容抗忽略不计，因它比封装的热容抗大。这样，它不会对快速的瞬间功率-脉冲引入的温升有多大影响。

　　在图8中，非标准电流过冲(overshoot)波形(在电流开始流动和MOSFET完全开启间)由门电压VG的缓慢上升所引起。图8表现了VG的缓慢上升，这是由PVI1050N的低驱动电流能力决定的。

　　对MOSFET Miller容抗的充电产生图8中被称为Miller高地的门电压“高地”。在该时间，以接近导通的门限电压驱动MOSFET，这使MOSFET工作在线性区。工作在线性区时，因IDRAIN和VDS在该区间都相对较高，所以线性区的功耗也大。图8中的功耗尖突表示了MOSFET短时工作在线性区的高功耗。

　　图8中的结温度是139℃，比25℃环境温度高了114℃。因代表MOSFET封装和散热的网络是线性的，所以可预期结温升是114℃，而不用考虑起始环境温度。这是因为，MOSFET模型在线性工作区并没包含任何热效应因素。但，因与总体系统时间常数相比，MOSFET工作在线性区的时间要短得多，则未考虑在内的非线性影响不大。

　　若封装采取表面安装方式通过热过孔或大面积铜板散热，那么得到合理的“外壳到环境”网络热模型的途径是利用可从几何和材料信息导出该网络的软件封装。

　　对任何给定的可被静态模拟的电路来说，可生成一个准动态模型以增加自发热效应。需要指出的是：该模拟假定MOSFET和散热片与同一块PCB上的其它热源是热隔绝的。采用准动态模型进行模拟的好处是它允许对不同电路结构进行直接分析，且没因一组固定方程式的使用而将该问题过分简单化。另外，若将电路结构考虑在内，也并不一定要重新推定方程式。该方法?是一种有效的虚拟原型构造手段。一旦生成了该模型，就可将其纳入库中，简单建立一个新设计就可使用它。