電源設(shè)計(jì)說明：熱仿真

隨著電力技術(shù)的使用越來越多，現(xiàn)在不僅需要監(jiān)控組件的電氣和電子性能，還需要監(jiān)控它們的熱行為。采用散熱器的通用模型對于確保在使用 LTspice 進(jìn)行仿真期間不超過特定功率組件的安全工作區(qū) (SOA) 非常重要。在本教程中，我們將學(xué)習(xí)如何插入 SOAtherm-HeatSink 模型并控制系統(tǒng)在熱域中的行為。

散熱器和 SOAtherm-HeatSink 模型

任何電子電力系統(tǒng)都需要一種能夠在組件容器和周圍環(huán)境之間進(jìn)行高熱交換的設(shè)備。如果相對結(jié)溫超過其物理極限，此預(yù)防措施可避免損壞組件。在電子仿真中，LTspice 提供了一個(gè)非常有用且復(fù)雜的模型來仿真散熱器的行為（參見圖 1），并提供了一些基本的操作參數(shù)。重要的是，器件的 SPICE 型號都配備了“Tc”終端，也可以選擇配備“Tj”終端。SOAtherm-HeatSink 是在軟件庫中找到的模型的名稱。

圖 1：LTspice 主庫中的 SOAtherm-HeatSink 模型

將模型放置在原理圖上后，您需要指定以下信息：

散熱器的材料可以是銅或鋁，您可以通過相關(guān)下拉菜單進(jìn)行選擇。

Rθ 是散熱器的熱阻以及氣流 (?C/W)。

T環(huán)境是環(huán)境溫度，以攝氏度表示。

電子元件和散熱器之間的接觸面積以平方毫米表示。

散熱器的總體積以立方毫米表示。

以上所有參數(shù)都必須輸入到散熱器的屬性中，可以通過在原理圖組件上按鼠標(biāo)右鍵來訪問。它們必須輸入到 SpiceModel、Value 和 Value2 字段中。

應(yīng)用方案示例

Figure 2 shows an example of an application that allows the use of a SiC MOSFET with an electronic switch function. The model of the device used is the C3M0160120D, with the following characteristics:

Vds: 1,200 V

Id: 17 A, 25?C

RDS(on): 160 mΩ

Gate voltage in static regime: from –4 V to 15 V

Maximum dissipation: 97 W

The?circuit’s?goal?is?to?get?the?SiC?MOSFET?to?work?in?a?saturation?mode?with?a?very?stable?load,?which?necessitates?the?use?of?a?heatsink. There?is?no?PWM?signal,?and?the?system?is?in?static?mode. The?MOSFET’s?gate?is?fed?with?a?constant?direct?voltage?to?close?the?main?circuit?and?allow?the?maximum?current?to?flow?through?the?load?R1.?

The?electronic?components?that?make?up?the?system?are?as?follows:

V1：500-V 主電源發(fā)生器

R1：非常堅(jiān)固的 50 Ω 負(fù)載

U2：C3M0160120D 碳化硅 MOSFET

V2：用于直接驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極的 15V 直流電壓發(fā)生器

圖 2：連接到散熱器并作為 SOAtherm 模型插入應(yīng)用接線圖中的 SiC MOSFET 模型

通過僅檢查電路的電子靜態(tài)操作，可以觀察到以下結(jié)果：

電壓：2.17V

我（R1）：9.95 A

V ds：2.17 V

我（R1）：9.95 A

P d (R1): 7.1 千瓦

Pd （MOSFET）：21.6瓦

R DS(on)：R = V / I = 218 mΩ

效率：99.56%

如您所見，效率非常高，但對于這些功率水平，更重要的是電流值，需要一個(gè)良好的散熱器來保持設(shè)備在安全溫度下運(yùn)行?，F(xiàn)在，讓我們使用以下參數(shù)調(diào)整 SOAtherm-HeatSink 模型的大?。?/p>

散熱片材質(zhì)：鋁

Rθ：2?C/W

環(huán)境溫度：25?C

接觸面積：300 mm 2

體積：3,000 mm 3（本例中的散熱器尺寸為 50 × 30 × 2 mm）

模擬

現(xiàn)在您可以啟動(dòng)模擬，記住應(yīng)該啟用“使用初始條件”UIC 選項(xiàng)。然后，您可以使用鼠標(biāo)查看與以下相關(guān)的信號：

電壓：通過點(diǎn)擊相應(yīng)的電源線

電流：通過單擊組件

電源：通過單擊組件并同時(shí)按下鍵盤上的 Alt 鍵

要檢查組件“外殼”的溫度（以及 MOSFET 結(jié)的溫度），只需單擊連接節(jié)點(diǎn)“Tc”與散熱器的線路，如接線圖所示。

如圖 3 所示，該軟件顯示溫度趨勢，即使刻度顯示為電壓。?

必須考慮以攝氏度表示的值。

圖 3：圖表顯示“外殼”和“結(jié)”溫度值，必須解釋為攝氏度。

讓我們仔細(xì)看一下圖表。曲線是在時(shí)域中計(jì)算的，溫度在 x 軸上表示，但以伏特為單位。環(huán)境溫度為 25?C（之前在 SOAtherm 模型的參數(shù)中設(shè)置），大約兩分鐘（120 秒）后達(dá)到平衡點(diǎn)。散熱器允許 MOSFET 安全工作，器件在熱瞬態(tài)結(jié)束時(shí)的工作溫度如下：

“結(jié)”溫度：105?C

“外殼”溫度：78?C

在這個(gè)模擬中，MOSFET 工作得很好，因?yàn)殡妷?、電流、功率和結(jié)溫的值遠(yuǎn)低于制造商設(shè)定的最大限制。通過步進(jìn)模擬嘗試使用電阻在 50 Ω 和 150 Ω 之間的不同負(fù)載：

. 步參數(shù)負(fù)載50 150 10

如圖 4 中的圖表所示，當(dāng)達(dá)到平衡點(diǎn)時(shí)，“外殼”的以下溫度得到：

負(fù)載 50Ω：77.8?C

負(fù)載 60 Ω：57.0?C

負(fù)載 70 Ω：47.0?C

負(fù)載 80Ω：41.2?C

負(fù)載 90 Ω：37.4?C

負(fù)載 100 Ω：34.9?C

負(fù)載 110 Ω：33.0?C

負(fù)載 120 Ω：31.7?C

負(fù)載 130 Ω：30.6?C

負(fù)載 140 Ω：29.8?C

負(fù)載 150 Ω：29.2?C?

圖 4：負(fù)載變化時(shí)“外殼”的溫度

結(jié)論

越來越多的 SPICE 模型包含用于模擬熱行為的功能，這在當(dāng)今的電力項(xiàng)目中至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn) MOSFET 的 PWM 驅(qū)動(dòng)并嘗試在尺寸和材料上改變散熱器的尺寸，這可能是對前面示例的一種變體。顯然，這樣的模擬極其緩慢。在這種情況下，您可以嘗試降低軟件仿真容差。在熱仿真方面，仿真器的性能至關(guān)重要。某些電壓和電流值可能會(huì)導(dǎo)致處理速度顯著減慢。因此，必須稍微調(diào)整其中一些參數(shù)。


審核編輯：劉清