過(guò)去，仿真的基礎(chǔ)是行為和具有基本結(jié)構(gòu)的模型，它們主要適用于簡(jiǎn)單集成電路技術(shù)中使用的器件。但是，當(dāng)涉及到功率器件時(shí)，這些簡(jiǎn)單的模型通常無(wú)法預(yù)測(cè)與為優(yōu)化器件所做的改變相關(guān)的現(xiàn)象。現(xiàn)在，通過(guò)引入物理和可擴(kuò)展建模技術(shù)，安森美(onsemi)使仿真精度進(jìn)一步提升到更高的水平，此前我們?yōu)榇蠹医榻B了物理和可擴(kuò)展仿真模型功能的相關(guān)內(nèi)容，本文將繼續(xù)為大家介紹使用 Cauer 網(wǎng)絡(luò)仿真熱行為以及評(píng)估各項(xiàng)因素對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響。

使用 Cauer 網(wǎng)絡(luò)仿真熱行為

所有仿真模型都可以使用兩個(gè)（或更多）額外節(jié)點(diǎn)，借助熱電等效關(guān)系提供有關(guān)熱行為的信息。在此等效關(guān)系中，對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電壓代表溫度，電流代表功率耗散。

圖 18. 內(nèi)部熱電結(jié)構(gòu)

將 Tcase 引腳連接到固定電壓源（應(yīng)用的環(huán)境溫度或最高外殼工作溫度），我們可以獲得外殼和結(jié)之間的溫差。只需測(cè)量 Tj 引腳電壓即可獲得。（參見(jiàn)圖 19）

圖 19. 電-熱簡(jiǎn)單方法

圖 20. 結(jié)到外殼的溫差

在上圖中（圖 20），我們使用電流脈沖來(lái)加熱芯片。我們可以看到結(jié)溫隨著時(shí)間和芯片中功耗增加而升高。通過(guò)觀(guān)察電流已經(jīng)達(dá)到最大值時(shí)漏極-源極電壓的緩慢斜率或指數(shù)斜率，還可以了解 RDS(on) 隨溫度變化的情況。

在下一個(gè)練習(xí)中，我們將使用一個(gè) D2Pack-7 引腳封裝的 SiC MOSFET，將其安裝在 1 平方英寸接地平面（用作散熱器）的印刷電路板 (PCB) 上。

較復(fù)雜的部分是找到代表此 PCB 散熱器動(dòng)態(tài)性能的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)（圖 21）。為了獲得此網(wǎng)絡(luò)，我們安森美使用有限元仿真工具對(duì)組裝進(jìn)行建模，提取其性能數(shù)據(jù)及等效 Cauer 網(wǎng)絡(luò)。下面的原理圖給出了我們將使用的等效 RC 網(wǎng)絡(luò)。

圖 21. 1 平方英寸 PCB 的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)

表 1 提供了 1 平方英寸 PCB 的網(wǎng)絡(luò)值。

表 1.1 平方英寸 PCB 散熱器的 Cauer 網(wǎng)絡(luò)值

然后，我們?cè)诜抡嬖韴D中加入該網(wǎng)絡(luò)，并將其與額外的“熱”節(jié)點(diǎn)連接，如圖 22 所示。

圖 22. Cauer 網(wǎng)絡(luò)仿真原理圖

現(xiàn)在，我們可以運(yùn)行仿真并查看散熱器如何散熱。我們不僅可以讀取殼溫和結(jié)溫，還可以繪制仿真模型所提供的結(jié)和外殼節(jié)點(diǎn)的電壓曲線(xiàn)（參見(jiàn)圖 23）。

圖 23. 熱電仿真結(jié)果

柵極、驅(qū)動(dòng)和電壓電平對(duì)開(kāi)關(guān)損耗影響的評(píng)估

在本小節(jié)中，我們將采用具有不同封裝的同一芯片。為了評(píng)估封裝寄生效應(yīng)的影響，我們將比較開(kāi)關(guān)損耗。

眾所周知，雙脈沖測(cè)試儀（圖 24）可用來(lái)測(cè)量開(kāi)關(guān)性能，它可以提取開(kāi)關(guān)事件中的導(dǎo)通和關(guān)斷能量。由于續(xù)流大多存在于短路狀態(tài)，因此電流值在關(guān)斷事件和導(dǎo)通事件之間幾乎保持不變。

圖 24. 雙脈沖測(cè)試儀仿真原理圖

運(yùn)行此測(cè)試儀仿真將獲得下面圖 25 中繪制的波形。

圖 25. 雙脈沖測(cè)試波形

為了測(cè)量開(kāi)關(guān)損耗和所有參數(shù)（如導(dǎo)通延遲和上升時(shí)間等），我們使用下面圖 26 中所示的約定時(shí)序。

圖 26. 導(dǎo)通和關(guān)斷能量測(cè)量

我們可以直接在原理圖上使用一些其他公式計(jì)算損耗，并使用光標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。但是，如需多次執(zhí)行此操作，建議創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的執(zhí)行腳本。

我們將查看幾個(gè)柵極電壓最小值和最大值，以了解其在相同設(shè)置下對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響。

我們將不討論 RDS(on) 隨柵極電壓的變化——這部分在數(shù)據(jù)手冊(cè)的導(dǎo)通區(qū)域曲線(xiàn)圖中已涵蓋。

使用新一代 NTH4L022N120M3S（22 mΩ，1200 V，M3S）MOSFET 和 5 Ω 外部柵極電阻及 NDSH50120C（50 A，1200 V，D3）二極管，我們獲得下表中列出的數(shù)值。總線(xiàn)電壓設(shè)置為 800 V，電感電流為 40 A。表 2 顯示了如下結(jié)果。

表 2.不同柵極驅(qū)動(dòng)電壓的導(dǎo)通和關(guān)斷能量

正如預(yù)期，在導(dǎo)通期間增加?xùn)艠O電壓會(huì)降低導(dǎo)通損耗，對(duì)關(guān)斷損耗幾乎沒(méi)有影響。同樣與預(yù)期一致的是，在關(guān)斷期間提供負(fù)柵極電壓可降低關(guān)斷損耗，對(duì)導(dǎo)通損耗的影響可以忽略不計(jì)。

評(píng)估半橋結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響

在本小節(jié)中，我們將始終采用同一器件作為低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，改變高壓側(cè)器件，了解該高壓側(cè)器件如何影響低壓側(cè)器件的損耗。實(shí)際上，雙脈沖測(cè)試儀測(cè)量是在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)上進(jìn)行的，因?yàn)轵?qū)動(dòng)低壓側(cè)開(kāi)關(guān)并在低壓側(cè)進(jìn)行測(cè)量更容易實(shí)現(xiàn)，而在高壓側(cè)測(cè)量將獲得相同的結(jié)果。

通常，有兩種類(lèi)型的 SiC 二極管：肖特基或 P-N 結(jié)。肖特基是分立器件，而 P-N 結(jié)是 SiC MOSFET 的體二極管（參見(jiàn)圖27）。我們將分析這兩種二極管類(lèi)型的開(kāi)關(guān)損耗。

圖 27. 半橋和四分之一橋結(jié)構(gòu)

使用新一代 NTH4L022N120M3S（22 mΩ，1200 V，M3S）MOSFET，并采用相同的設(shè)置，5Ω 外部柵極電阻，總線(xiàn)電壓設(shè)置為 800 V，電感電流設(shè)置為 40 A，我們獲得表 3 中的結(jié)果。續(xù)流器件的半橋架構(gòu)使用相同的器件，四分之一橋架構(gòu)則使用新一代 NDSH50120C（50 A，1200 V，D3）。

表 3.相同芯片尺寸的導(dǎo)通和關(guān)斷能量（10 m，1200 V，M3S）

正如預(yù)期，使用 SiC 肖特基二極管，其電容和反向電流效應(yīng)（或損耗）比 P-N SiC 體二極管恢復(fù)效應(yīng)（或損耗）小得多，此時(shí)的 SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗要低于使用一個(gè)獨(dú)立的 SiC 二極管。

評(píng)估封裝對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響

我們將查看采用不同封裝具有相同 RDS(on) 的器件的損耗。我們將采用半橋架構(gòu)以及與之前相同的條件，在高壓側(cè)使用相同的器件。表 4 顯示了結(jié)果。

表 4.相同 RDS(on)（22 mΩ，1200 V，M3S）器件的導(dǎo)通和關(guān)斷能量

TO247-4L 封裝比較理想，具有低寄生損耗。但是，由于 D2Pak-7L 的寄生（或引腳 + 鍵合）電感比 TO247-4L 小，特別是在漏極側(cè)，這些較低的電感會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通期間的漏極電流增加得更快，漏極-源極電壓下降得更慢，所以導(dǎo)致 D2Pak-7L 的損耗將更高。

數(shù)據(jù)手冊(cè)值高于此處的測(cè)量值，因?yàn)閷?shí)際測(cè)試設(shè)置比這個(gè)簡(jiǎn)易仿真中的寄生效應(yīng)更多，所有額外的寄生效應(yīng)都會(huì)影響導(dǎo)通和/或關(guān)斷期間的損耗。

審核編輯：湯梓紅