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。……