功率电路中MOSFET的热研究.pdf
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电源世界2015/11|29Elements元器件1引言由于技术和工艺水平的进步,诸如MOSFET一类的功率开关可以工作在更高的频率,并且可以集成为更小的模块。
然而,伴随着更高的工作频率和更小的体积,MOSFET会产生更多的热量,这些热量会导致MOSFET的工作温度上升,进而影响到MOSFET的性能和使用寿命,甚至整个系统的效率。
因此,为了控制温升和减少热损耗,要解决产生的多余热量。
通过实验的方式可以准确地测量温度和热损耗,但是实验需要消耗大量的时间和配备相应的设备,不是一种经济的方式。
而仿真可以简单迅速的对结果进行预测,帮助分析温升和热损耗,从而对实验具有指导作用。
本文首先详述热传导的相关理论,并基于功率模块构建了热模型,根据热模型设计了热仿真,最后通过引入实验论证热仿真的可行性。
2热模型理论
(1)热传递机制热传递指的是由于物体之间温度的差异,而导致能量从高温部分向低温部分转移的现象。
热传递包括3种方式:
热传导、热对流和热辐射。
热传导指的是热量在两种物体之间交换,这两种物体是贴合在一起的或者在某中导热介质之中;热对流指的是气体或者液体在流动过程中,从温度较高处向温度较低处放热的现象;热辐射指的是能量以电磁波的形式传递热量。
对于MOSFET等功率开关来说,热传导是热量传递过程中的主要方式。
因此,为了确保在MOSFET在工作期间温度不会上升的太快,针对热耗散的结构设计和连接方式就显得特别重要。
正因为如此,在选择导热材料时,材料的热传导和热扩散系数就尤为重要,材料本身的传导系数越大,不同材料之间的热扩散系数差别越小,越有利于热量的扩散。
(2)热传导理论图1中的理想导热板,用于帮助分析热传导理论。
假设导热板的厚度为d,导热板上下两个表面的温度分别为T1和功率电路中MOSFET的热研究HeatStudyonMOSFETinPowerCircuit武凯,李磊WuKai,LiLei南京理工大学(南京,210094)NanjingUniversityofScienceandTechnology(Nanjing,210094)摘要:
MOSFET通常工作在高频低压大电流的条件下,在其工作过程中会产生大量的热量,而过多的热量会直接影响到MOSFET的性能。
因此,针对MOSFET工作时的热分析就显得十分重要。
热仿真通常用于对实验的预测和指导。
本文,首先介绍热传导的相关理论,并基于MOSFET模块构建相关的热模型,帮助完成热分析;最后,将实验结果和仿真结果进行对比,验证了热仿真的可行性和可靠性。
关键字:
功率MOSFET热模型热仿真Abstract:
MOSFETUsuallyworksinconditionoflowvoltage,highcurrentandhighfrequency.LotsofheatisgeneratedduringoperationandtoomuchheatwillimpactMOSFETperformancedirectly.SothermalanalysisissignificantforMOSFETsafeoperation.Thermalsimulationisusedforpredictionandinstructionofactualexperiment.Inthispaper,thermalconductiontheoryisintroducedandthermalmodelwhichdependsonMOSFETmoduleisbuilttohelptorealizethermalanalysis.Bycomparingtheresultofexperimentandsimulation,thefeasibilityandreliabilityofthermalsimulationisverified.Keywords:
PowerMOSFET,Thermalmodel,Thermalsimulation.中图分类号TN86文献标识码A文章编号:
1561-0349(2015)11-0029-0530|TheWorldofPowerSupplyNov2015Elements元器件T2。
在t的时间长度内,由上到下流经导热板的热量为Q,而热量Q正比于热梯度系数(T1-T2)/d。
图1热传导模型因此,热量Q的表达式为:
Q=AtT1T2d*
(1)其中:
是热传导系数,A是上下表面的面积。
在热传导模型中,热阻和热容是两个与热量传递相关的重要参数。
热阻体现的是介质阻碍热传导的能力,它会影响到温度的最终值。
在热传导中,热阻的表达式为:
Rth=Ad*
(2)由式
(2)可以看到,热阻正比于传导距离,反比于传导面积。
将式
(2)带入到式
(1)中,可以得到Q的另一个表达式:
Q=Rtht*T1T2(3)将温度T1和T2的差值定义为T=T1-T2,热功率损耗定义为P=Q/t,则Rth可重新定义为:
Rth=PT(4)这就是热系统中热阻与温度和功率之间的关系。
热容体现的是介质存储热量的能力,它会影响到温度上升的速率。
在热传导中,热容的表达式为:
Cth=c*m(5)式中:
c是介质的比热容,m是介质的质量。
(3)模型分析在RC电路中,当输入电压发生变化时,电路中会有电流流过。
因此,类比于RC电路,当温度发生变化时,热模型中的“电路”会有热量流过。
在RC电路的基本理论中,电路在t=0的时刻加上电压为E的直流电,电路中电压的变化就与时间t相关。
定义时间常数=R*C,就可以定义变化的电压表达式为:
V(t)=E*1e()R*Ct(6)类似的在热模型中,热时间常数被定义为=Rth*Cth,其中,Rth是总的热阻值,Cth是总的热容值。
因此,温度变化的表达式为:
T(t)=Tmax*1e()Rth*Ctht(7)图2所示是功率模块的两种安装方式:
基板安装和无基板安装,两种安装方式的区别在于:
DCB层是否直接安装在散热器上。
图2功率模块安装图如果DCB先安装在基板上,再安装到散热器上,那么,在分析热传导时就要多加一个基板导热层。
在层与层之间涂有导热硅脂以增强导热性。
图中所示的Tjunction是结温(MOSFET温度);Tcase是外壳温度(基板温度);Theatsink是散热器温度;Tambient是环境温度。
这4个温度参数是热分析中的重要参数。
为了更清楚地进行热分析,功率模块被简化为如下模型,如图3所示,Ploss是模块的功率损耗,模型的热阻被分为串联的3部分:
Rth(j-c)是结点和外壳之间的热阻;Rth(c-s)是外壳和散热器之间的热阻;Rth(s-a)是散热器和环境之间的热阻。
图3功率模块模型热阻值的大小与参考点有关,例如对于没有基板的模块来说,通常给定的是结点和散热器之间的热阻Rth(j-s),这样就简化了模型。
模型的热容被分为并联的3部分:
Cj是结点的热容;Cc是外壳的热容;Cs是散热器的热容。
热容值的大小与参考点无关,是由导热介质本身决定的。
Tjunction、Tcase、Theatsink对应于相应的热容,Tambient为环境温度,这就构建出功率模块的简化热模型。
3热仿真及其实验
(1)实验电路分析Boost变换器是经典的功率变换电路,选用该电路作为热电源世界2015/11|31Elements元器件仿真和实验的电路。
如图4所示,Q1、Q2分别用作开关和同步整流。
图4Boost电路当Q1处于导通状态时,电流流过Q1时会产生导通损耗,而在Q1开通和关断的过程中,又会产生开关损耗。
因此,Q1在工作期间产生的损耗包括开关损耗和导通损耗。
而对于Q2来说只会产生导通损耗,这是因为Q2实现了同步整流。
Q1和Q2的驱动信号互补,在两个驱动信号之间留有3s的死区时间,在死区时间内,Q1已经关断,Q2尚未开通,此时的电流会首先流过Q2的体二极管。
当Q2开通后,电流就从体二极管换流到MOSFET,这就实现了Q2的无损耗开通,而Q2的关断过程也是如此,因此Q2产生的损耗只有导通损耗。
下面给出设计电路的主要参数:
输入电压Vin=48V,输出电压Vout=55V,负载电流Iload=100A,升压电感L=35H,输出电容C=25.2mF,开关频率fs=10kHz。
如图5所示,因为电路的占空比为0.13,同时还有3s的死区时间,Q2的驱动信号要滞后于Q1的驱动信号16s。
图5驱动信号波形选用的MOSFET最大电压可以达到100V,最大电流可以达到300A。
通电阻Rds(on)仅为1.13m,即使温度达到125,其导通压降Vf也只有0.27V,这就极大的减小了MOSFET的损耗。
根据设计的电路参数可知,开关管需要承受的最大电压为55V,承受的最大电流根据公式:
Imax=1-DdutyIload+2*L*fs(1-Dduty)*Dduty*Vout(8)计算得123A,因此选用的MOSFET适用于实验电路。
(2)热仿真热仿真通过Plecs软件实现。
Plecs以其完备的热模型功能,常用于各种电路以及系统级的热量仿真。
MOSFET内部构建起热模型,如图6所示。
图6仿真电路MOSFET的热模型包括Q1和Q2,在不同温度下的开关损耗和导通损耗,如图7所示。
根据计算得出Q1和Q2的损耗总和为56.7W。
在仿真中散热器覆盖在开关管上,用于吸收开关管的热损耗,同时散热器自身还是一个等温系统,可以向它周围的环境传递热量。
与散热器相连接的热链用来定义模型中的热阻和热容,根据数据手册提供的参数,模块中结点到环境的热阻为Rth(j-a)=0.88/W,这样总的热容就可以推算为Cth=5454J/。
环境温度设定为35。
温度仿真结果图8所示。
(a)(b)图7(a)开关损耗模型,(b)导通损耗模型如图8所示,仿真的起始温度为16,最终温度为67。
在起始时刻温度上升速率快,当温度达到55后,温度上升趋势开始变缓,从55上升到67所消耗的时间占据了总时间的3/4。
仿真结果一定程度上论证实验的可行性,对32|TheWorldofPowerSupplyNov2015Elements元器件实验有指导性作用。
图8温度仿真曲线(3)热实验首先,在实验室中搭建实验平台。
电路所需电源和负载通过外部设备ABC-150提供,该设备具有系统编程功能,能够提供可控的电源和负载。
考虑到平台的安全性,功率模块的安装方式为基板安装。
温度传感器负责采样DCB温度,由于DCB的厚度非常薄,可以将DCB的温度视为结温(MOSFET温度)。
实验得到的DCB温度曲线如图9所示。
图9DCB温度曲线由图9得知,DCB的起始温度为15.6,最终温度为67.7,温度的差值为T=52.1,在不考虑母线损耗的前提下,MOSFET的功率损耗为Ploss=T/Rth=59.2W。
热时间常数的值是温度上升到稳定值的63%时所需要的时间,这与RC电路中的电压变化相类似。
将图9中的曲线展开后可以得到图10的曲线,则可以得到热时间常数=5040。
由热时间常数=5040和热阻Rth=0.88/W可以得出,总热容为Cth=/Rth=5727J/。
因为选择铝板作为散热器,根据式(5)计算出散热器的热容为Cs=CAl*mAl=1927J/,其中CAl是铝的比热容,mAl是铝板的质量。
图10DCB温度曲线(4)实验和仿真结果对比由表1可知,仿真结果中MOSFET的功率损耗和最高温度都要小于实验的结果,这是因为在实际实验中,热传导和温升对MOSFET性能的影响更大。
而且由于热模型是简化过的,仿真中的热容和热时间常数要小于实验结果。
表1实验和仿真结果对比参数仿真结果实验结果损耗Ploss56.7W59.2W最高温度Tmax6767.7总热阻Rth_total0.88/W0.88/W总热容Cth_total5454J/5727J/热时间常数4800s5040sMOSFET的温度对比曲线如图11所示,“Tem_T”代表实验温度,“Tem_S”代表仿真温度。
图11温度比较在初始时刻两个温度相等,随着时间的推移,仿真温度的上升速率大于实验温度的上升速率,两个温度在最终达到稳态时接近相等。
在整个温升过程中,最大的误差为5.22,分析原因为仿真为理想状态,MSOFET的热模型只能在一定程度上模拟损耗的情况,并且热的传导和扩散是没有损失的,因此温升也是理想的,所以仿真中温升速率要比实验快。
另一方面对于实际的实验,热传导具有不确定性,存在不可控的因素,同时还没有考虑热耦合和热传导边界一致性的问题,电源世界2015/11|33Elements元器件因此,实验和仿真之间的误差在可接受的范围内。
4结束语发热是影响功率模块工作的一个重要因素,如果产生的热量不及时扩散,会影响到模块的性能和使用寿命。
通过合适的热传导机制,功率模块可以长时间高效的工作。
为了能更好的掌握功率模块的工作状态,建立简单的热模型来帮助分析工况就显得十分重要。
仿真作为一种便捷经济的方式,可以操控系统的工作状态,对实验有一定的指导作用。
通过实验和仿真结果的对比,论证了仿真的可行性和准确性。
参考文献1http:
/www.powerguru.org/heat-transfer-in-power-semiconductor-devices/2http:
/www.powerguru.org/power-module-junction-temperature-calculation/3http:
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/www.powerguru.org/factors-influencing-thermal-resistance-of-power-modules/5ToshihikoFurukawa,DaizouSenzai,TakahiroYoshida,“ElectrolyticCapacitorThermalModelandLifeStudyforForkliftMotorDriveApplication,”presentedatEVS27InternationalBattery,HybridandFuelCellElectricVehicleSymposium.6KeMa,AmirSajjadBahman,SzymonBeczkowski,FredeBlaabjerg,“CompleteLossandThermalModelofPowerSemiconductorsIncludingDeviceRatingInformation,”IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,VOL.30,NO.5,MAY2015.7PLECSUserManual,PleximGmbH,2014.8Dr.MartinMrz,PaulNance,“ThermalModelingofPower-electronicSystems,”InfineonTechnologiesAG,Munich,2011.作者简介武凯(1991),男,山东东营人,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。
李磊(1975),男,山东济宁人,教授,研究方向为功率电子变换技术。
stepsizeINCMPPTmethodofPVsystemsJ.IEEEtransactionsonindustrialelectronics,2008,55(7).10郭明明,沈锦飞.基于改进变步长电导增量法光伏阵列MPPT研究J.电力电子技术,2011.45(7):
14-16.11黄勤,赵靖,凌睿,石国飞,袁宇龙.基于改进变步长电导增量法的MPPT控制J.计算机工程,2013.39
(2):
245-249.附注本文研究工作得到嘉兴市科技计划项目(编号:
2015AY11027)、浙江省软科学研究计划项目(编号:
2014C35032)支持。
作者简介董睿,1986.1,男,嘉兴学院,工程师,研究方向:
电力电子装备与智能电网(上接第37页)(上接第48页)此外,如2.4节所述,因为开发的SiC-UPS可靠性高,由2面UPS盘向负荷供电,从而在通常的运转工况下,每面UPS盘的负荷率最大为50%,运转中通过的电流比额定电流小。
本次试验,是处于30%的轻负荷运转,可实现90%以上的高效率,如2.3节所述,能有效发挥SiC-MOSFET在低电流区域内通电损耗小的特点。
3结束语将全SiC功率模块用于SiC-UPS,进行了开发研究,电力变换损耗约减小了30%,而且,轻负荷时的运转效率能达到90%以上的高效率。
今后,由于无风扇化的节省维护,以及损耗的降低,预计可通过现场试验进行长期可靠性验证。
原文出处1绪方修二,浅野胜则,松村杨雄,三柳洋一.高效SiC无停电电源装置的开关,电气评论,2013.NO.10,p30-p33。
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- 功率 电路 MOSFET 研究