一种基于ANSYS的固体功率控制器热仿真分析
2021-10-20李彩英叱光辉
李 奎,李彩英,叱光辉
(陕西群力电工有限责任公司,陕西宝鸡,721300)
1 引言
MOSFET器件作为固体功率控制器[1]中重要的功率器件,在工作过程中,其功率消耗将引起芯片的温度上升。而在MOSFET芯片失效方式中,过温失效是导致其失效的重要原因之一。通过热仿真[2],对接通瞬态与工作稳态的发热进行模拟,使固体功率控制器在满足设计条件下不产生过温失效。因此,本文利用ANSYS Workbench有限元分析软件,对器件进行热仿真分析[3],以增加其稳态工作时的温度区间,并减小其因接通电压电流而失效的可能。
2 单个功率芯片建模
2.1 单芯片瞬态热路分析
根据对固体功率控制器电仿真模型进行分析可知,在固体功率控制器带容性负载的情况下,其接通电压电流均为最高值,因此为研究接通过程中MOSFET的温升过程。由容性负载的电仿真模型可知,在MOSFET接通过程中IMOSFET可由式(1)计算得到。
(1)
而芯片两端接通电压也可由式(2)计算得到。
(2)
通过式(1)与式(2)可以得到接通过程中的瞬时功率PMOSFET即式(3)。
(3)
通过MOSFET器件手册可以得到器件外壳的散热曲线,得到瞬态热阻抗Zth,通过式(4)可以得到MOSFET的工作结到外壳的温降。
ΔT=PMOSFETZth
(4)
式(4)中,热阻Zth可由MOSFET器件手册,通过式(4)得到。
(5)
上式中,k为常数;t为散热时间常数;Rth为稳态热阻抗。
在接通时间为1ms的情况下,由于接通时间远小于散热时间常数,可将热阻近似为一个定值,通过查表可以知道,k=2.750;Rth=0.7℃/W。
综合以上的分析,可以得到,温升为27.472℃。
由于上述分析中,进行了一定量的等效与线性近似,同时计算中使用了接通线性等效过程中的平均值,不能对接通过程中的MOSFET的最高温度差值进行有效计算。……
