电源设计说明：SPICE热模型

SPICE 模型没有直接管理系统组件和热行为的命令。然而，由于特定数学方程的实现，有一些 SPICE 模型可用于执行与热量相关的模拟。它们被定义为“热模型”。热模型模拟用于在热设计的初始阶段进行粗略估计。实现热行为的设备可用于在温度域中处理和产生结果。

SPICE 标准和热模型

电子元件的普通 SPICE 模型描述了典型设备的特性。在大多数情况下，此类模型可以成为评估组件性能的有用工具。显然，他们无法预测所有工作条件下的运行情况，因此，他们无法准确模拟设备在所有条件下的性能，尤其是热条件下的性能。因此，今天可以找到以下仿真模型：

• 通用 SPICE 模型
• SPICE 热模型

前者，在用 SPICE 语言进行的内部描述中，其特点是仅存在表征组件的电气和电子端子。例如，下面是一个 UF3C065080T3S MOSFET，其特征仅在于三个端子：漏极 (nd)、栅极 (ng) 和源极 (ns)。

********************** D G S

.subckt UF3C065080T3S nd ns

Ld nd nd1 5n

Lmd ns1 nd2 2n

Ljg ng1 ns3 4n

…………

xj1 nd1 ng1 ns1 jfet_G3_650V_Ron 参数：Ron=75m Rgoff=1.3 Rgon=1.3

xm1 nd2 ng2 ns2 mfet180

.ends

另一方面，后者也有典型热参数和电气参数的文字描述。如您所见，除了 MOSFET 的常用端子（1 = 漏极，2 = 栅极，3 = 源极）之外，它们还报告其他热参数，这些参数也在组件的图形模型中：

• Tj
• TC
• 塔

例如，以下是 SCT3017AL_T MOSFET，其特征在于端子漏极 (1)、栅极 (2)、源极 (3)、Tj、Tc、Ta。

********************DGS Tj Tc Ta

.SUBCKT SCT3017AL_T 1 2 3 Tj Tc Ta

.PARAM T0=25 T1=-100 T2=600

.FUNC K1(T) {MIN(MAX(T,T1),T2)}

V1 1 11 0

L1 3 32 4.1n

…………

R2 3 32 10

C1 23 12 1p

C21 Tj Ta 1.234m

.ENDS SCT3017AL_T

显示的模型显然已经过简化，并不完整。从图 1 中可以看出，传统 SPICE 模型与热模型的区别正是标题行，其中列出了组件的电气端子和/或热端子。
 

图 1：传统 SPICE 模型和热模型

热模型

通常，热模型在仿真中较慢，因为除了正常电气和电子行为的计算之外，仿真器还必须处理系统的所有热方程，这涉及大量计算工作。热模型的新端子如下：

• Tc（外壳温度）
• Tj（结温）
• Ta（环境温度）
• Tjd（MOSFET 中二极管的结温）

温度连接用作电压节点并与电气部件电隔离。模型可能具有这些参数中的一些，而不一定是全部。通常，结温包含在模型中，因此用户只需定义“外壳温度”和环境温度。其他时候，还必须由用户定义或查询结温。热节点 Tj 和 Tjd 允许用户轻松监控模拟结温。通常，不应连接这些节点。热节点 Tc 包含有关组件外壳的温度信息。

请注意，在热模型中：

• 节点中的电压表示温度，以°C 表示。
• 电阻表示热阻，以°C/W 表示。

为了充分理解热转变的工作原理，可以将系统想象成一组限制温度作用的电阻器，如图 2 所示。

图 2：温度根据其形状、尺寸和材料从一个组件传递到另一个组件。

一个实际例子

以下实际示例使用 Cree C3M0060065D SiC MOSFET 模型，如图 3 所示。它是采用 TO-247-3 封装的组件，具有以下特性：

• 电压：650 伏
• 编号：37
• ID（脉冲）：99 A
• RDS(on): 60 mΩ
• 可以方便地与其他试样并联
• 案例：TO-247-3
• Vgs：介于 –8 V 和 19 V 之间（推荐电压为：15 V [on]、–4 V [off]）
• 钯：150 瓦
• Tj：–40°C 至 175°C
• TL：最高密封温度 260°C
• 热电偶：0.99°C/W
• 热：40°C/W

图 3：Cree 的 C3M0060065D 功率 MOSFET

图 4 中的图表显示了一个经典的电子开关，它通过 96 V 的电源提供 10 Ω 的电阻负载（负载上的电流约为 9.6 A）。让我们检查一下该方案的电气特性：

• MOSFET 数据表推荐的栅极电压 (V2)：15 V
• 使用的 SiC MOSFET：Cree 的 C3M0060065D
• 负载电阻：10Ω
• 电路电源电压：96V

现在让我们检查该方案的热特性：

• 环境温度：25°C
• 散热器热阻（R2）：20°C/W

因此，尽管接线图使用了 25 V 的电压发生器和 20 Ω 的电阻器 R2，但此类组件仅用于配置热系统，不具备电气功能。

图 4：热原型的接线图

在接线图中，同样使用以下 SPICE 指令设置节点的初始温度非常重要：

.ic V(case_温度)=25

工作温度的计算

组件数据表指出最高结温为 175°C。让我们看看各种散热器在上面考虑的电阻负载下的表现如何，同时查看图 5 的曲线图。 当温度系统达到平衡时，模拟器可以测量以下温度：

• 20°C/W 散热器：结温 146°C，外壳温度 140°C。在大约 20 秒内达到热平衡。
• 5°C/W 散热器：结温 52°C，外壳温度 47°C。在大约 4 秒内达到热平衡。

在任何情况下，该组件都会正常工作，因为其结温低于 175°C 的上限。使用 20°C/W 的散热器，MOSFET 的运行几乎达到极限。请注意，该图将电压显示为测量单位，但实际上，正在测量温度。如果不使用散热器，或者降低其测量值和性能（例如，20°C/W），则 MOSFET 将在 7 秒后损坏，理论热平衡点超过 500°C。

图 5：测量结点和外壳的温度，使用不同类型的散热器

确定理想的散热器

步进模拟允许在创建的系统中建立和确定最佳散热器类型。要使用的指令是：

.step 参数散热器 1 40 1

以检查热阻介于 1°C/W 和 40°C/W 之间的所有散热器的行为，如图 6 中的图表所示。 对于本文设计的电路，好的散热器必须具有热阻热范围介于 1°C/W 和 22°C/W 之间。否则，MOSFET 会损坏。

图 6：不同类型散热器的模拟

SiC MOSFET 上的环境温度

查看 MOSFET 数据表的设计人员会感到安全，他们观察到结温可以轻松应对 175°C。这似乎确实是一个难以达到的极限。但实际情况大不相同，在本段中，我们可以观察到环境温度对组件的影响是决定性的。假设前面的电路具有以下电气和热参数的特征：

• 热阻为 20°C/W 的散热器
• 环境温度介于 –40°C 和 70°C 之间（实际情况）

对于这种类型的分析，有必要在精确范围内进行直流模拟，因为环境温度由电压发生器决定。执行分析的 SPICE 指令如下：

.dc 环境 -40 70 1

在图 7 中，可以观察到 MOSFET 的结温 (Tj)（在 y 轴上）相对于环境温度（在 x 轴上）的曲线图。如您所见，该电路可以在高达 40°C 的环境温度下正常工作。高于此值，除非采用更高效的散热器，否则 MOSFET 可能会受到严重损坏。

图 7：环境温度对具有 SiC MOSFET 的系统具有决定性影响。

结论

通常，简单的电气和电子分析是不够的，尤其是对于功率元件。温度是高能系统如何工作的一个组成部分，忘记将其包含在模拟中是一个严重的错误。

审核编辑：刘清