隨著電力技術的使用越來越多，現在不僅需要監控組件的電氣和電子性能，還需要監控它們的熱行為。采用散熱器的通用模型對于確保在使用 LTspice 進行仿真期間不超過特定功率組件的安全工作區 (SOA) 非常重要。在本教程中，我們將學習如何插入 SOAtherm-HeatSink 模型并控制系統在熱域中的行為。

散熱器和 SOAtherm-HeatSink 模型

任何電子電力系統都需要一種能夠在組件容器和周圍環境之間進行高熱交換的設備。如果相對結溫超過其物理極限，此預防措施可避免損壞組件。在電子仿真中，LTspice 提供了一個非常有用且復雜的模型來仿真散熱器的行為（參見圖 1），并提供了一些基本的操作參數。重要的是，器件的 SPICE 型號都配備了“Tc”終端，也可以選擇配備“Tj”終端。SOAtherm-HeatSink 是在軟件庫中找到的模型的名稱。

圖 1：LTspice 主庫中的 SOAtherm-HeatSink 模型

將模型放置在原理圖上后，您需要指定以下信息：

散熱器的材料可以是銅或鋁，您可以通過相關下拉菜單進行選擇。

Rθ 是散熱器的熱阻以及氣流 (?C/W)。

T環境是環境溫度，以攝氏度表示。

電子元件和散熱器之間的接觸面積以平方毫米表示。

散熱器的總體積以立方毫米表示。

以上所有參數都必須輸入到散熱器的屬性中，可以通過在原理圖組件上按鼠標右鍵來訪問。它們必須輸入到 SpiceModel、Value 和 Value2 字段中。

應用方案示例

Figure 2 shows an example of an application that allows the use of a SiC MOSFET with an electronic switch function. The model of the device used is the C3M0160120D, with the following characteristics:

Vds: 1,200 V

Id: 17 A, 25?C

RDS(on): 160 mΩ

Gate voltage in static regime: from –4 V to 15 V

Maximum dissipation: 97 W

The?circuit’s?goal?is?to?get?the?SiC?MOSFET?to?work?in?a?saturation?mode?with?a?very?stable?load,?which?necessitates?the?use?of?a?heatsink. There?is?no?PWM?signal,?and?the?system?is?in?static?mode. The?MOSFET’s?gate?is?fed?with?a?constant?direct?voltage?to?close?the?main?circuit?and?allow?the?maximum?current?to?flow?through?the?load?R1.?

The?electronic?components?that?make?up?the?system?are?as?follows:

V1：500-V 主電源發生器

R1：非常堅固的 50 Ω 負載

U2：C3M0160120D 碳化硅 MOSFET

V2：用于直接驅動 MOSFET 柵極的 15V 直流電壓發生器

圖 2：連接到散熱器并作為 SOAtherm 模型插入應用接線圖中的 SiC MOSFET 模型

通過僅檢查電路的電子靜態操作，可以觀察到以下結果：

電壓：2.17V

我（R1）：9.95 A

V ds：2.17 V

我（R1）：9.95 A

P d (R1): 7.1 千瓦

Pd （MOSFET）：21.6瓦

R DS(on)：R = V / I = 218 mΩ

效率：99.56%

如您所見，效率非常高，但對于這些功率水平，更重要的是電流值，需要一個良好的散熱器來保持設備在安全溫度下運行。現在，讓我們使用以下參數調整 SOAtherm-HeatSink 模型的大小：

散熱片材質：鋁

Rθ：2?C/W

環境溫度：25?C

接觸面積：300 mm 2

體積：3,000 mm 3（本例中的散熱器尺寸為 50 × 30 × 2 mm）

模擬

現在您可以啟動模擬，記住應該啟用“使用初始條件”UIC 選項。然后，您可以使用鼠標查看與以下相關的信號：

電壓：通過點擊相應的電源線

電流：通過單擊組件

電源：通過單擊組件并同時按下鍵盤上的 Alt 鍵

要檢查組件“外殼”的溫度（以及 MOSFET 結的溫度），只需單擊連接節點“Tc”與散熱器的線路，如接線圖所示。

如圖 3 所示，該軟件顯示溫度趨勢，即使刻度顯示為電壓。?

必須考慮以攝氏度表示的值。

圖 3：圖表顯示“外殼”和“結”溫度值，必須解釋為攝氏度。

讓我們仔細看一下圖表。曲線是在時域中計算的，溫度在 x 軸上表示，但以伏特為單位。環境溫度為 25?C（之前在 SOAtherm 模型的參數中設置），大約兩分鐘（120 秒）后達到平衡點。散熱器允許 MOSFET 安全工作，器件在熱瞬態結束時的工作溫度如下：

“結”溫度：105?C

“外殼”溫度：78?C

在這個模擬中，MOSFET 工作得很好，因為電壓、電流、功率和結溫的值遠低于制造商設定的最大限制。通過步進模擬嘗試使用電阻在 50 Ω 和 150 Ω 之間的不同負載：

. 步參數負載50 150 10

如圖 4 中的圖表所示，當達到平衡點時，“外殼”的以下溫度得到：

負載 50Ω：77.8?C

負載 60 Ω：57.0?C

負載 70 Ω：47.0?C

負載 80Ω：41.2?C

負載 90 Ω：37.4?C

負載 100 Ω：34.9?C

負載 110 Ω：33.0?C

負載 120 Ω：31.7?C

負載 130 Ω：30.6?C

負載 140 Ω：29.8?C

負載 150 Ω：29.2?C?

圖 4：負載變化時“外殼”的溫度

結論

越來越多的 SPICE 模型包含用于模擬熱行為的功能，這在當今的電力項目中至關重要。實現 MOSFET 的 PWM 驅動并嘗試在尺寸和材料上改變散熱器的尺寸，這可能是對前面示例的一種變體。顯然，這樣的模擬極其緩慢。在這種情況下，您可以嘗試降低軟件仿真容差。在熱仿真方面，仿真器的性能至關重要。某些電壓和電流值可能會導致處理速度顯著減慢。因此，必須稍微調整其中一些參數。


審核編輯：劉清