DC/DC电源管理应用中的功率MOSFET的热分析方法.pdf

在当今的电子产业中，小型化趋势对热管理技术提出了更高的要求。随着电子设备的体积缩小，它们能够提供更高的功率重量比，节省材料，并降低整体成本。然而，这种进步也带来了挑战，尤其是热管理方面。在一个紧凑的系统中，有效地散发热量比在大型系统中要困难得多，这要求系统设计师必须充分理解功率半导体器件，特别是功率MOSFET的热行为。 功率MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）在许多电子系统中都是核心的功率管理元件。它们不仅效率高，而且对各种应力都很敏感，因此了解它们的发热机制至关重要。尽管可以使用通用热分析软件来理解功率MOSFET的热行为，但这些软件并不足够。对器件的专业知识是必不可少的，而这些知识通常只有MOSFET的制造商才具备。 传统上，基于RC（电阻-电容）网络的行为模型是不够用的，因为它们难以保持边界条件的独立性，并且难以将不同层次的模型组合在一起。二维或半维仿真也有其局限性，只有三维模型才能提供准确的热分析。系统设计师需要的是专用的热分析软件，这些软件应具备功率建模功能，以便适应其特定应用领域的需求。 在处理热分析时，专业工具如ANSYS和其他有限元分析工具虽然非常有效，但它们需要复杂的专业知识，而且功能过于全面，对于非专业用户来说并不实用。相比之下，Flopack、Flotherm、Icepak和ISE等专业工具在创建模型和组合过程上进行了简化。尽管如此，MOSFET制造商拥有器件的详细信息，但这些信息的公开可能意味着公开知识产权和技术秘密。因此，MOSFET制造商需要找到一种方法，既能以模型的形式提供信息，又不会泄露器件的技术细节。 Vishay Siliconix公司开发了一种名为ThermaSim的在线热仿真工具，通过这种工具，设计师可以无需深入了解器件的所有细节就能使用复杂的模型进行仿真。为了创建可以供ThermaSim使用的模型，Vishay采用了REBECA-3D平台，允许用户一步一步地构建器件的三维模型，并为结构中的各种元件赋予器件特性。REBECA-3D定义了操作环境，如PCB板的特征参数、器件在PCB板上的位置、电源外形、时间因子、环境温度、散热和气流效果，以及电路板在系统内的方向等。REBECA-3D使用边界元方法，相较于传统方法，这种方法在计算时间方面更为高效，且与电子器件的几何比例因子有关。REBECA-3D将3D结构视为由8个面组成的模型，进行热分析，从而实现了高粒度的分析，同时允许使用边界元方法求解传导方程，包括非线性材料、稳态应用、无内部网格的方程。 Vishay在其网站上提供了ThermaSim工具，这是一个易用且免费的网络热仿真工具，可以和Vishay的在线MOSFET库一起使用。ThermaSim能在几分钟内提供热分析结果，并可根据客户需求进行定制改写。本文提供了使用ThermaSim仿真评估的示例，并讨论了ThermaSim当前版本的局限性以及未来改进的可能性。例如，分析了在DC/DC降压转换器中使用Vishay Siliconix的Si7392DP和Si7892BDP功率MOSFET时的热性能。通过比较ThermaSim仿真结果与实际测试结果，验证了仿真工具的有效性。 总结而言，随着电子系统小型化趋势的发展，设计出既小巧又高效的电子设备要求设计师必须对功率半导体器件的热行为有深入的了解。三维热仿真工具和软件，如ThermaSim，以及它们背后的技术如REBECA-3D平台，提供了必要的工具和方法，使得设计师能够在不泄露制造商核心知识产权的情况下进行必要的热分析和设计优化。这不仅提高了电子系统的性能，还保护了厂商的关键技术和商业秘密。