一種基于ANSYS的固體功率控制器熱仿真分析

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)殇摬暮螅酒€(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。