电源设计说明：SPICE热模型

spice 模型没有直接管理系统组件和热行为的命令。然而，由于特定数学方程的实现，有一些 spice 模型可用于执行与热量相关的模拟。它们被定义为“热模型”。热模型模拟用于在热设计的初始阶段进行粗略估计。实现热行为的设备可用于在温度域中处理和产生结果。
spice 标准和热模型电子元件的普通 spice 模型描述了典型设备的特性。在大多数情况下，此类模型可以成为评估组件性能的有用工具。显然，他们无法预测所有工作条件下的运行情况，因此，他们无法准确模拟设备在所有条件下的性能，尤其是热条件下的性能。因此，今天可以找到以下仿真模型：
通用 spice 模型 spice 热模型前者，在用 spice 语言进行的内部描述中，其特点是仅存在表征组件的电气和电子端子。例如，下面是一个 uf3c065080t3s mosfet，其特征仅在于三个端子：漏极 (nd)、栅极 (ng) 和源极 (ns)。
********************** d g s
.subckt uf3c065080t3s nd ns
ld nd nd1 5n
lmd ns1 nd2 2n
ljg ng1 ns3 4n
…………
xj1 nd1 ng1 ns1 jfet_g3_650v_ron 参数：ron=75m rgoff=1.3 rgon=1.3
xm1 nd2 ng2 ns2 mfet180
.ends
另一方面，后者也有典型热参数和电气参数的文字描述。如您所见，除了 mosfet 的常用端子（1 = 漏极，2 = 栅极，3 = 源极）之外，它们还报告其他热参数，这些参数也在组件的图形模型中：
tj tc 塔例如，以下是 sct3017al_t mosfet，其特征在于端子漏极 (1)、栅极 (2)、源极 (3)、tj、tc、ta。
********************dgs tj tc ta
.subckt sct3017al_t 1 2 3 tj tc ta
.param t0=25 t1=-100 t2=600
.func k1(t) {min(max(t,t1),t2)}
v1 1 11 0
l1 3 32 4.1n
…………
r2 3 32 10
c1 23 12 1p
c21 tj ta 1.234m
.ends sct3017al_t
显示的模型显然已经过简化，并不完整。从图 1 中可以看出，传统 spice 模型与热模型的区别正是标题行，其中列出了组件的电气端子和/或热端子。
图 1：传统 spice 模型和热模型
热模型通常，热模型在仿真中较慢，因为除了正常电气和电子行为的计算之外，仿真器还必须处理系统的所有热方程，这涉及大量计算工作。热模型的新端子如下：
tc（外壳温度） tj（结温） ta（环境温度） tjd（mosfet 中二极管的结温）温度连接用作电压节点并与电气部件电隔离。模型可能具有这些参数中的一些，而不一定是全部。通常，结温包含在模型中，因此用户只需定义“外壳温度”和环境温度。其他时候，还必须由用户定义或查询结温。热节点 tj 和 tjd 允许用户轻松监控模拟结温。通常，不应连接这些节点。热节点 tc 包含有关组件外壳的温度信息。
请注意，在热模型中：
节点中的电压表示温度，以°c 表示。电阻表示热阻，以°c/w 表示。为了充分理解热转变的工作原理，可以将系统想象成一组限制温度作用的电阻器，如图 2 所示。
图 2：温度根据其形状、尺寸和材料从一个组件传递到另一个组件。
一个实际例子以下实际示例使用 cree c3m0060065d sic mosfet 模型，如图 3 所示。它是采用 to-247-3 封装的组件，具有以下特性：
电压：650 伏编号：37 id（脉冲）：99 a rds(on): 60 mω 可以方便地与其他试样并联案例：to-247-3 vgs：介于 –8 v 和 19 v 之间（推荐电压为：15 v [on]、–4 v [off]）钯：150 瓦 tj：–40°c 至 175°c tl：最高密封温度 260°c 热电偶：0.99°c/w 热：40°c/w
图 3：cree 的 c3m0060065d 功率 mosfet
图 4 中的图表显示了一个经典的电子开关，它通过 96 v 的电源提供 10 ω 的电阻负载（负载上的电流约为 9.6 a）。让我们检查一下该方案的电气特性：
mosfet 数据表推荐的栅极电压 (v2)：15 v 使用的 sic mosfet：cree 的 c3m0060065d 负载电阻：10ω 电路电源电压：96v 现在让我们检查该方案的热特性：
环境温度：25°c 散热器热阻（r2）：20°c/w 因此，尽管接线图使用了 25 v 的电压发生器和 20 ω 的电阻器 r2，但此类组件仅用于配置热系统，不具备电气功能。
图 4：热原型的接线图
在接线图中，同样使用以下 spice 指令设置节点的初始温度非常重要：
.ic v(case_温度)=25
工作温度的计算组件数据表指出最高结温为 175°c。让我们看看各种散热器在上面考虑的电阻负载下的表现如何，同时查看图 5 的曲线图。当温度系统达到平衡时，模拟器可以测量以下温度：
20°c/w 散热器：结温 146°c，外壳温度 140°c。在大约 20 秒内达到热平衡。 5°c/w 散热器：结温 52°c，外壳温度 47°c。在大约 4 秒内达到热平衡。在任何情况下，该组件都会正常工作，因为其结温低于 175°c 的上限。使用 20°c/w 的散热器，mosfet 的运行几乎达到极限。请注意，该图将电压显示为测量单位，但实际上，正在测量温度。如果不使用散热器，或者降低其测量值和性能（例如，20°c/w），则 mosfet 将在 7 秒后损坏，理论热平衡点超过 500°c。
图 5：测量结点和外壳的温度，使用不同类型的散热器
确定理想的散热器步进模拟允许在创建的系统中建立和确定最佳散热器类型。要使用的指令是：
.step 参数散热器 1 40 1
以检查热阻介于 1°c/w 和 40°c/w 之间的所有散热器的行为，如图 6 中的图表所示。对于本文设计的电路，好的散热器必须具有热阻热范围介于 1°c/w 和 22°c/w 之间。否则，mosfet 会损坏。
图 6：不同类型散热器的模拟
sic mosfet 上的环境温度查看 mosfet 数据表的设计人员会感到安全，他们观察到结温可以轻松应对 175°c。这似乎确实是一个难以达到的极限。但实际情况大不相同，在本段中，我们可以观察到环境温度对组件的影响是决定性的。假设前面的电路具有以下电气和热参数的特征：
热阻为 20°c/w 的散热器环境温度介于 –40°c 和 70°c 之间（实际情况）对于这种类型的分析，有必要在精确范围内进行直流模拟，因为环境温度由电压发生器决定。执行分析的 spice 指令如下：
.dc 环境 -40 70 1
在图 7 中，可以观察到 mosfet 的结温 (tj)（在 y 轴上）相对于环境温度（在 x 轴上）的曲线图。如您所见，该电路可以在高达 40°c 的环境温度下正常工作。高于此值，除非采用更高效的散热器，否则 mosfet 可能会受到严重损坏。
图 7：环境温度对具有 sic mosfet 的系统具有决定性影响。
结论通常，简单的电气和电子分析是不够的，尤其是对于功率元件。温度是高能系统如何工作的一个组成部分，忘记将其包含在模拟中是一个严重的错误。