使用Cauer网络仿真热行为与对开关损耗影响的评估

过去，仿真的基础是行为和具有基本结构的模型，它们主要适用于简单集成电路技术中使用的器件。但是，当涉及到功率器件时，这些简单的模型通常无法预测与为优化器件所做的改变相关的现象。现在，通过引入物理和可扩展建模技术，安森美(onsemi)使仿真精度进一步提升到更高的水平，此前我们为大家介绍了物理和可扩展仿真模型功能的相关内容，本文将继续为大家介绍使用 Cauer 网络仿真热行为以及评估各项因素对开关损耗的影响。

使用 Cauer 网络仿真热行为    

所有仿真模型都可以使用两个（或更多）额外节点，借助热电等效关系提供有关热行为的信息。在此等效关系中，对于一个节点，电压代表温度，电流代表功率耗散。

图 18. 内部热电结构

将 Tcase 引脚连接到固定电压源（应用的环境温度或最高外壳工作温度），我们可以获得外壳和结之间的温差。只需测量 Tj 引脚电压即可获得。（参见图 19）

图 19. 电-热简单方法

图 20. 结到外壳的温差

在上图中（图 20），我们使用电流脉冲来加热芯片。我们可以看到结温随着时间和芯片中功耗增加而升高。通过观察电流已经达到最大值时漏极-源极电压的缓慢斜率或指数斜率，还可以了解 RDS(on) 随温度变化的情况。

在下一个练习中，我们将使用一个 D2Pack-7 引脚封装的 SiC MOSFET，将其安装在 1 平方英寸接地平面（用作散热器）的印刷电路板 (PCB) 上。

较复杂的部分是找到代表此 PCB 散热器动态性能的 Cauer 网络（图 21）。为了获得此网络，我们安森美使用有限元仿真工具对组装进行建模，提取其性能数据及等效 Cauer 网络。下面的原理图给出了我们将使用的等效 RC 网络。

图 21. 1 平方英寸 PCB 的 Cauer 网络

表 1 提供了 1 平方英寸 PCB 的网络值。

表 1.1 平方英寸 PCB 散热器的 Cauer 网络值

然后，我们在仿真原理图中加入该网络，并将其与额外的“热”节点连接，如图 22 所示。

图 22. Cauer 网络仿真原理图

现在，我们可以运行仿真并查看散热器如何散热。我们不仅可以读取壳温和结温，还可以绘制仿真模型所提供的结和外壳节点的电压曲线（参见图 23）。

图 23. 热电仿真结果

栅极、驱动和电压电平对开关损耗影响的评估    

在本小节中，我们将采用具有不同封装的同一芯片。为了评估封装寄生效应的影响，我们将比较开关损耗。

众所周知，双脉冲测试仪（图 24）可用来测量开关性能，它可以提取开关事件中的导通和关断能量。由于续流大多存在于短路状态，因此电流值在关断事件和导通事件之间几乎保持不变。

图 24. 双脉冲测试仪仿真原理图

运行此测试仪仿真将获得下面图 25 中绘制的波形。

图 25. 双脉冲测试波形

为了测量开关损耗和所有参数（如导通延迟和上升时间等），我们使用下面图 26 中所示的约定时序。

图 26. 导通和关断能量测量

我们可以直接在原理图上使用一些其他公式计算损耗，并使用光标进行测量。但是，如需多次执行此操作，建议创建一个简单的执行脚本。

我们将查看几个栅极电压最小值和最大值，以了解其在相同设置下对开关损耗的影响。

我们将不讨论 RDS(on)  随栅极电压的变化——这部分在数据手册的导通区域曲线图中已涵盖。

使用新一代 NTH4L022N120M3S（22 mΩ，1200 V，M3S）MOSFET 和 5 Ω 外部栅极电阻及 NDSH50120C（50 A，1200 V，D3）二极管，我们获得下表中列出的数值。总线电压设置为 800 V，电感电流为 40 A。表 2 显示了如下结果。

表 2.不同栅极驱动电压的导通和关断能量

正如预期，在导通期间增加栅极电压会降低导通损耗，对关断损耗几乎没有影响。同样与预期一致的是，在关断期间提供负栅极电压可降低关断损耗，对导通损耗的影响可以忽略不计。

评估半桥结构对开关损耗的影响    

在本小节中，我们将始终采用同一器件作为低压侧开关，改变高压侧器件，了解该高压侧器件如何影响低压侧器件的损耗。实际上，双脉冲测试仪测量是在低压侧开关上进行的，因为驱动低压侧开关并在低压侧进行测量更容易实现，而在高压侧测量将获得相同的结果。

通常，有两种类型的 SiC 二极管：肖特基或 P-N 结。肖特基是分立器件，而 P-N 结是 SiC MOSFET 的体二极管（参见图27）。我们将分析这两种二极管类型的开关损耗。

图 27. 半桥和四分之一桥结构

使用新一代 NTH4L022N120M3S（22 mΩ，1200 V，M3S）MOSFET，并采用相同的设置，5Ω 外部栅极电阻，总线电压设置为 800 V，电感电流设置为 40 A，我们获得表 3  中的结果。续流器件的半桥架构使用相同的器件，四分之一桥架构则使用新一代 NDSH50120C（50 A，1200 V，D3）。

表 3.相同芯片尺寸的导通和关断能量（10 m，1200 V，M3S）

正如预期，使用 SiC 肖特基二极管，其电容和反向电流效应（或损耗）比 P-N SiC 体二极管恢复效应（或损耗）小得多，此时的 SiC MOSFET 开关损耗要低于使用一个独立的 SiC 二极管。

评估封装对开关损耗的影响    

我们将查看采用不同封装具有相同 RDS(on) 的器件的损耗。我们将采用半桥架构以及与之前相同的条件，在高压侧使用相同的器件。表 4 显示了结果。

表 4.相同 RDS(on)（22 mΩ，1200 V，M3S）器件的导通和关断能量

TO247-4L 封装比较理想，具有低寄生损耗。但是，由于 D2Pak-7L 的寄生（或引脚 + 键合）电感比 TO247-4L 小，特别是在漏极侧，这些较低的电感会导致导通期间的漏极电流增加得更快，漏极-源极电压下降得更慢，所以导致 D2Pak-7L 的损耗将更高。

数据手册值高于此处的测量值，因为实际测试设置比这个简易仿真中的寄生效应更多，所有额外的寄生效应都会影响导通和/或关断期间的损耗。

　　审核编辑：汤梓红