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        一種基于ANSYS的固體功率控制器熱仿真分析

        2021-10-20 05:36:48李彩英叱光輝
        機(jī)電元件 2021年4期
        關(guān)鍵詞:模型

        李 奎,李彩英,叱光輝

        (陜西群力電工有限責(zé)任公司,陜西寶雞,721300)

        1 引言

        MOSFET器件作為固體功率控制器[1]中重要的功率器件,在工作過程中,其功率消耗將引起芯片的溫度上升。而在MOSFET芯片失效方式中,過溫失效是導(dǎo)致其失效的重要原因之一。通過熱仿真[2],對(duì)接通瞬態(tài)與工作穩(wěn)態(tài)的發(fā)熱進(jìn)行模擬,使固體功率控制器在滿足設(shè)計(jì)條件下不產(chǎn)生過溫失效。因此,本文利用ANSYS Workbench有限元分析軟件,對(duì)器件進(jìn)行熱仿真分析[3],以增加其穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的溫度區(qū)間,并減小其因接通電壓電流而失效的可能。

        2 單個(gè)功率芯片建模

        2.1 單芯片瞬態(tài)熱路分析

        根據(jù)對(duì)固體功率控制器電仿真模型進(jìn)行分析可知,在固體功率控制器帶容性負(fù)載的情況下,其接通電壓電流均為最高值,因此為研究接通過程中MOSFET的溫升過程。由容性負(fù)載的電仿真模型可知,在MOSFET接通過程中IMOSFET可由式(1)計(jì)算得到。

        (1)

        而芯片兩端接通電壓也可由式(2)計(jì)算得到。

        (2)

        通過式(1)與式(2)可以得到接通過程中的瞬時(shí)功率PMOSFET即式(3)。

        (3)

        通過MOSFET器件手冊(cè)可以得到器件外殼的散熱曲線,得到瞬態(tài)熱阻抗Zth,通過式(4)可以得到MOSFET的工作結(jié)到外殼的溫降。

        ΔT=PMOSFETZth

        (4)

        式(4)中,熱阻Zth可由MOSFET器件手冊(cè),通過式(4)得到。

        (5)

        上式中,k為常數(shù);t為散熱時(shí)間常數(shù);Rth為穩(wěn)態(tài)熱阻抗。

        在接通時(shí)間為1ms的情況下,由于接通時(shí)間遠(yuǎn)小于散熱時(shí)間常數(shù),可將熱阻近似為一個(gè)定值,通過查表可以知道,k=2.750;Rth=0.7℃/W。

        綜合以上的分析,可以得到,溫升為27.472℃。

        由于上述分析中,進(jìn)行了一定量的等效與線性近似,同時(shí)計(jì)算中使用了接通線性等效過程中的平均值,不能對(duì)接通過程中的MOSFET的最高溫度差值進(jìn)行有效計(jì)算。因此需對(duì)單開關(guān)接通瞬態(tài)過程進(jìn)行仿真分析,所以需建立單開關(guān)接通瞬態(tài)熱模型進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí),利用ANYSYS中單開關(guān)接通瞬態(tài)熱模型與單開關(guān)穩(wěn)態(tài)工作熱模型物理結(jié)構(gòu)相同的特點(diǎn),建立單開關(guān)穩(wěn)態(tài)工作熱模型,將單開關(guān)穩(wěn)態(tài)工作熱模型仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較,以驗(yàn)證單開關(guān)熱模型的有效性。

        2.2 單芯片瞬態(tài)熱模型

        通過ANSYS有限元分析軟件可以搭建在瞬態(tài)熱路的狀態(tài)下的單功率芯片模型。對(duì)MOSFET接通過程使用ANSYS進(jìn)行熱仿真分析。仿真時(shí)間設(shè)為20ms,由于固體功率控制器在帶容性負(fù)載時(shí)存在浪涌電流,其瞬時(shí)功率高于其穩(wěn)態(tài)功率。通過上文分析,固體功率控制器接通過程功率可由式(3)得到,其功率如圖1所示。

        圖1 單功率管接通瞬時(shí)功率

        在前面的計(jì)算過程中已經(jīng)提到,功率管的接通時(shí)間僅為1ms,時(shí)間很短,功率管因接通而產(chǎn)生的溫升來不及向外殼以及環(huán)境釋放,故而在計(jì)算中認(rèn)為是絕熱過程,因此,在ANSYS仿真中選擇瞬態(tài)熱分析。其仿真結(jié)果如圖2所示。

        圖2 單功率管接通瞬時(shí)溫升

        通過仿真結(jié)果可知,在單功率管接通過程中,最高溫度為51.202℃。在環(huán)境溫度為25℃的條件下,溫升為26.202℃,滿足芯片的溫度工作范圍。

        2.3 單芯片穩(wěn)態(tài)熱路分析

        在單功率管穩(wěn)態(tài)工作的情況下,其熱路模型如圖3所示。

        圖3 單功率管穩(wěn)態(tài)熱路

        圖3中,Tj為功率管穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的結(jié)溫,功率管結(jié)到殼的熱阻為Rjc,功率管穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的殼溫為Tc,功率管由殼到環(huán)境的熱阻為Rcs,環(huán)境溫度為Ta。

        由圖3所架構(gòu)的熱路模型與穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通下功率管功率可知,其結(jié)溫與環(huán)境溫度的熱路公式可由式(6)得到。

        Tj=Ta+(Rjc+Rcs)Pw

        (6)

        由式(6)中結(jié)溫減去環(huán)境溫度即可得到由式(7)表示的結(jié)溫升。

        τja=(Rjc+Rcs)Pw

        (7)

        通過查手冊(cè)可知,功率管穩(wěn)態(tài)工作下功率Pw=0.68W,Rjc=0.7℃/W,Rcs=0.240℃/W,帶入式(7)可得,τja=0.6392℃。

        通過熱路計(jì)算,初步得到功率管在穩(wěn)態(tài)工作的情況下的溫升,再通過穩(wěn)態(tài)模型仿真,進(jìn)一步的到穩(wěn)態(tài)溫升并和理論值比較,驗(yàn)證模型的合理性。

        2.4 單芯片穩(wěn)態(tài)熱路模型

        通過建立單芯片穩(wěn)態(tài)工作熱模型,對(duì)單芯片穩(wěn)態(tài)熱路分析進(jìn)行驗(yàn)證,因?yàn)樵贏NSYS建模中,瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)模型的區(qū)別僅為載荷與邊際條件不同,而模型其他部分完全相同,因此,對(duì)單芯片穩(wěn)態(tài)熱模型的仿真可以和熱路理論計(jì)算互相驗(yàn)證,以驗(yàn)證瞬態(tài)模型的合理性。通過仿真得到的結(jié)溫曲線為圖4所示。

        圖4 穩(wěn)態(tài)結(jié)溫曲線

        由圖中可知,穩(wěn)態(tài)溫升為0.691℃。穩(wěn)態(tài)溫升仿真值與計(jì)算值誤差為0.0508℃,在誤差允許的范圍內(nèi)。因此,此單開關(guān)模型是有效的。

        3 八開關(guān)PCB板帶外殼封裝建模

        3.1 八開關(guān)PCB板穩(wěn)態(tài)溫升建模

        本文中,固體功率控制器要求為總功率低于14W的八開關(guān)固體功率控制器,在不考慮體積的情況下,對(duì)布板和殼體散熱進(jìn)行分析。

        通過對(duì)器件尺寸進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)行建模工作。外殼模型為圖5所示。

        圖5 外殼模型

        PCB板模型中,成組出現(xiàn)的8組芯片為開關(guān)相對(duì)應(yīng)控制和外圍電路芯片,其余芯片為主處理器和DC/DC變換器。

        在穩(wěn)態(tài)工作的狀態(tài)下,以聚乙烯為外殼材質(zhì)的熱度分布,如圖6所示,可知,穩(wěn)態(tài)最高溫度在PCB板中央控制芯片區(qū)域,為53.998℃,最高溫升為28.998℃,高于單芯片穩(wěn)態(tài)溫升,這是由于多芯片同時(shí)工作導(dǎo)致的溫度上升。

        圖6 聚乙烯外殼穩(wěn)態(tài)工作PCB板溫度分布

        由于對(duì)芯片穩(wěn)態(tài)工作溫度的要求,將聚乙烯外殼替換為鋼材外殼,其仿真結(jié)果如圖7所示。

        圖7 鋁合金外殼穩(wěn)態(tài)工作PCB板溫度分布

        由上圖可知,在外殼材料變?yōu)殇摬暮?,芯片穩(wěn)態(tài)工作最高溫度為31.656℃,略高于室溫25℃,穩(wěn)態(tài)最高溫升為6.656℃。同時(shí),依舊是散熱效果相對(duì)較差的中間部分為最高溫度。

        通過比較圖6與圖7可知,在更換外殼材料后,穩(wěn)態(tài)工作最高溫升下降了22.342℃,但PCB板最高溫升為6.656℃。證明了換用鋼材外殼比聚乙烯外殼散熱性能更好,溫度也更為平均。因此,從散熱的角度考慮,應(yīng)使用金屬制外殼,以增強(qiáng)散熱。

        3.2 八開關(guān)PCB板瞬態(tài)溫升建模

        在滿足穩(wěn)態(tài)溫升的情況下,對(duì)器件進(jìn)行瞬態(tài)接通過程建模。模型如圖6與圖7所示,和穩(wěn)態(tài)情況下相同,峰值功率與之前瞬態(tài)模型功率相同。仿真時(shí)間為0.02s,接通時(shí)間為1ms。瞬態(tài)模型仿真最高溫度如圖9所示。

        圖9 八開關(guān)瞬態(tài)模型最高溫度

        其模型溫度分布如圖10所示,最高溫度為功率MOSFET管溫度。

        圖10 瞬態(tài)模型溫度分布

        如圖10所示,在瞬態(tài)接通的狀態(tài)下,芯片由于接通時(shí)的過載導(dǎo)致的瞬態(tài)功率過高導(dǎo)致的溫度大量升高。但是在瞬態(tài)接通下,溫度并未超過工作范圍,所以仍能正常工作。

        4 固體功率控制器熱模型建模

        4.1 固體功率控制器穩(wěn)態(tài)熱模型

        出于對(duì)固體功率控制器尺寸上的要求,需要將上述仿真中的殼體尺寸加以改進(jìn),為縮小PCB板面積,采用多層布板的方式對(duì)PCB進(jìn)行布置。分為下層的陶瓷覆銅板(DBC)利于將場(chǎng)效應(yīng)管的熱量通過殼體散熱,上層為多層印制電路板。

        模型如圖11、圖12和圖13所示。

        圖11 整體模型

        圖12 DBC層模型(下層)

        圖13 PCB板模型(上層)

        在設(shè)計(jì)布板時(shí),DBC層采用錯(cuò)位布置,提高散熱性能;PCB布板的過程中,將元器件雙面排布以盡量節(jié)省空間,并對(duì)芯片錯(cuò)位擺放,提高散熱性能。在仿真過程中,選擇穩(wěn)態(tài)模式,仿真時(shí)間為10s。

        仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。

        由圖14和圖15可知,穩(wěn)態(tài)工作下最高溫度為48.753℃,溫升為23.753℃,在25℃環(huán)境溫度的情況下達(dá)到工作溫度要求。在最高工作溫度105℃的情況下最高溫度達(dá)到128.753℃。但部分元器件的工作溫度僅為125℃,因此,根據(jù)上述仿真結(jié)果將工作溫度小于125℃的和對(duì)溫度敏感的元器件分布于印制電路板的低溫工作區(qū)域內(nèi),從而滿足產(chǎn)品的性能及可靠性。

        圖14 DBC層布板穩(wěn)態(tài)仿真溫度分布

        圖15 多層PCB布板穩(wěn)態(tài)仿真溫度分布

        4.2 固體功率控制器瞬態(tài)熱模型

        模型與多層PCB板穩(wěn)態(tài)熱模型相同,其瞬態(tài)接通功率在雙層PCB板瞬態(tài)熱模型仿真中已經(jīng)加以介紹,因此不再贅述。仿真時(shí)間為0.002s,仿真條件選擇瞬態(tài)熱仿真,其余條件均與穩(wěn)態(tài)熱模型相同。其最高溫度曲線如圖16所示。

        圖16 多層PCB板熱模型仿真最高溫度曲線

        從圖中可知,瞬態(tài)情況下,多層PCB板最高溫度為31.482℃,瞬態(tài)最高溫升為6.482℃,未超過工作溫度區(qū)間,證明了這種布板方式可以正常工作,完成項(xiàng)目要求。

        4 結(jié)論

        本文利用ANSYS有限元分析軟件,在對(duì)功率器件進(jìn)行熱路理論分析的基礎(chǔ)上,對(duì)SSPC相關(guān)的器件進(jìn)行了建模分析。在考慮到項(xiàng)目要求體積的條件下,對(duì)SSPC的瞬態(tài)接通、穩(wěn)態(tài)工作兩種狀態(tài)下的溫升進(jìn)行了探討。在對(duì)溫升有要求的情況下,根據(jù)熱仿真結(jié)果對(duì)布板進(jìn)行優(yōu)化,使模型溫升能有效地滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求。

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