高功率SiC MOSFET的温控设计分析

当MOSFET处于导通状态时，其效率最高，这是因为此时漏-源电压最低且功耗最小。然而，当其工作在动态系统中时，由于快速的开关切换，此时的线性区域非常短暂，故其性能将会降低，从而其最终效率也会降低。因此，设计师除了需要考虑和分析功率系统的电性能外，还必须关注各种电子元器件的工作温度。所幸的是，新的仿真器可支持对这个新型参数进行“监测”。

工作温度是需要监测的重要数据

如今，功率电子设备不仅要求满足电气性能，还要求严格控制系统的热行为。功率电路设计的一个特殊挑战，就是必须在确保结温受控的同时，不超过MOSFET的SOA。结温可以被认为是半导体的实际温度，然而，在元器件表面测量的结温却会略低一些，这是由于设备外壳的热阻妨碍了热量的流通。相对于环境温度，温度升高表明一个事实，即存在将能量转化为热量的源。作为例子，图1给出了一功率电阻加热器的常规线路图，其工作过程如下：

●在最初的60秒内，电阻器是冷却的

●接下来，电阻器间歇性导通(即导通25秒，再关断5秒)，共30次

●此循环后，电路完全关断

该电路工作在直流状态，并由以下元器件组成：

●V2：按上述要求驱动MOSFET的信号发生器

●R1：4Ω功率加热电阻器。当电流流过时，其功耗约高达2300W

●U1：能够承受所需电压和电流的MOSFET。本例中其通态功耗约为4W

●V1：电路发生器，电压为96V

●U2：散热器

图1：间歇电阻加热器的基本电气连接图。

至于散热器，可利用SOAtherm仿真模型，并根据需要进行设计。其特征可利用以下参数进行表征：

材料：铝

●Rtheta系数：10 (该系数描述了散热器的热阻，单位为˚C/W)

●环境温度：27°C

●与部件接触面积：100mm²

●体积：4000mm³

在这一点上，通过仿真来检查电学和热学结果是很有趣的，其结果如图2所示。需注意，所得数据的质量在很大程度上取决于电子元器件的模型参数质量。在任何情况下，设计师都应该记住，真实的结果将包括许多普通电子仿真都无法预测的变量。另外，该图所示全部为时域迹线，自顶向下依次为：

●V(pulse)：激活和关闭MOSFET栅极的信号

●I(R1)：通过功率加热电阻器的电流

●V(temp_case)：MOSFET外壳温度

●V(temp_jun)：MOSFET结温

还需注意，仿真提供的温度测量值在图中以伏特表示，但实际上代表的却是以摄氏度表征的热测量值。尽管由于系统的惯性，功率电阻器的导通是间歇性的，但温度在开始的950秒内会升高。该循环结束后，在从一开始算起大约1小时、或电阻器最后一次被激活后44分钟时，温度重新达到平衡状态(室温)。几乎所有的功率电子系统都需要部件与周围环境之间的高热交换，以避免它们因高温而受破坏。

图2：显示MOSFET外壳和结温的系统仿真。

注意，散热器必须由金属制成，所幸现实中也确有一些具有极高热系数的优质散热材料。下表显示了一些材料在20°C下的热导率，单位为W/m·K：

从表中可见，银是热导率最高的金属，其次是铜和金(不过现实中由于多种显而易见的原因，无法指望采用金质或银质的散热器)。此参数表示材料传导的热量；进一步讲，就是那些高热导率的材料比低热导率的材料导热更快。图3显示了在同一系统使用带有铝和铜不同材料散热器的相同电子元器件，所产生的温度响应之差异。使用铝材散热器时，MOSFET的冷却略差，温度峰值达到了182.5°C，而采用铜材散热器时，该温度仅为175.5°C，整整相差了7度。换言之，铜材散热器使得部件承受的温度较低。

图3：铜材料散热效果优于铝材料。

物理仿真

将之前的电气结果与物理仿真结果进行比较，由于需要许多额外的参数，故系统的表征要稍微复杂一些。图4所示为利用MOSFET连续驱动阻性负载时静态系统的最终瞬态热结果。具体来说，利用以下参数和数值对电路进行了表征：

●负载阻抗：4Ω

●负载供电模式：连续

●负载电流：24A

●负载耗散功率：2300W

●MOSFET上的电流：24A

●漏-源电压：135mV

●MOSFET的耗散功率：3.24W

●计算所得的Rds(ON)：5.6mΩ

而热电路的特征由以下参数表征：

●散热器材料：铝

●散热器为一简单铝块。为简化计算，取平行六面体形状，不加散热片

●所用铝材的热导率：200mW/mm·°C

●rTheta：10

●室温：27°C

●对流系数：0.05mW/mm²·°C

●散热器与MOSFET之间的接触面积：100mm²

●散热器体积：4000mm³

●散热器尺寸：20x20x10mm

●MOSFET耗散的功率：3.24W

该仿真结果为：在瞬态过后并达到热平衡(发生在开始运行后约10分钟内)时，散热器上的温度约为60°C。当然，物理仿真器对这个问题进行了更深入的研究，还给出了物体的热梯度，并指示出温度的最高和最低点。具体说，达到的最高温度为62.08°C(对应于MOSFET和散热器之间的接触区域)，而最低温度为61.5°C(对应的则是散热器的外围区域)。

图4：MOSFET系统的热仿真。

注意，如果改变工作和电气条件(负载阻抗、电源电压、MOSFET类型、散热器尺寸和材料等)，所有结果都将会改变。

结论

如今，热仿真模型越来越多。系统行为的仿真通常很慢，因为软件必须包括数以千计的计算变量和数学方程。静态对于MOSFET的操作是最方便的，而在动态(矩形信号、PWM等)条件下，其效率可能会由于开关损耗而降低。这种情况下，设计师就必须予以密切关注。此时，热仿真可极大地有助于确定功率系统的工作性能。

(参考原文：sic-mosfets-and-temperature-control）

本文为《电子工程专辑》2024年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅