[Plecs基础知识系列] 基于Plecs的半导体热仿真方法（实战篇）_建立热路模型与仿真

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[Plecs基础知识系列]基于Plecs的半导体热仿真方法（实战篇）_ 建立电路模型-CSDN博客中我们讲了开环电路模型的建立方法，这篇文章我们继续讲解热路模型的建立方法，这个也是半导体热仿真的核心，所以大家准备好板凳继续听我讲

1.建立热路模型

1.1.添加Heat sink

Heat sink是半导体元件的外壳，这个外壳的温度是可以监测的，这个我们后面会说明

接下来就是本文的重点，添加半导体元件的热模型描述

1.2.添加IGBT的热模型描述

双击IGBT，选择Thermal选项卡，点击Thermal Description右边的…；点击New Thermal Description；

这里IGBT我们选择富士电机的2MBI800XNE120-50，这个实际上这是一个模块，这个模块里面是由两个IGBT串联成的，其实在我们这个buck电路的例子中应该使用一个单管，之所以用这个模块来举例是因为这个模块的数据比较完整，适合我们这个例子

Vce为1200V，Ic为800A，在表格的上面填入相应的信息，方便之后的管理

注意：这里器件的类型选择IGBT，能量的单位选择mJ

1.2.1.保存模型

将Thermal模型保存到指定的路径下 

1.2.2.添加模型路径

File-Plecs Preferences-Thermal，选中刚才保存Thermal模型的文件夹

设置好路径后，我们就可以在绘制元件的时候直接调用Thermal模型了，我们随便建立一个IGBT器件演示一下

注意： 这里器件的Type一定要与新建的IGBT类型保持一致，否则无法调用模型

IGBT的热模型描述中我们需要添加以下几个信息

    1)开通损耗Turn-on Loss

    2)关断损耗Turn-off Loss

    3)导通损耗Conduction Loss

    4)热阻抗Thermal Chain

对应的就是4个标签栏

1.2.3.添加开通损耗描述 Turn-on Loss

1) 在IGBT的规格书中找到电流Ic和Eon的关系图，并截图保存，记住这个路径

2) 在开通损耗标签栏中（Turn-on Loss），将刚才保存的截图添加到Plecs中

3) 调整X、Y轴，将图片上的值与X、Y轴对应

4)添加坐标点，将曲线描绘出来

注意：这里需要至少添加两个温度下的损耗，这样做的目的是因为，温度的计算需要进行插值，需要有上下限才能完成插值的操作

表格中有4种温度对应的曲线，这里我们只用25℃和175℃进行举例，当然温度参数越多，插值也会越准确

添加25℃的Eon曲线

因为这个Eon的损耗是在600V电压下测试的（表格上的Vcc=600V），所以应该将前面的电压调整为600V

添加175℃的Eon曲线

以上操作完成后还要在每个温度下面添加一个0V的损耗，当然0V的时候损耗也是0 

1.2.4.添加关断损耗描述 Turn-off Loss

添加Eoff的方法与Eon相同，这里直接给出结果

1.2.5.添加导通损耗描述Conduction Loss

1) 在IGBT的规格书中找到电流Ic和Vce的关系图，并截图保存，记住这个路径

 2) 在导通损耗标签栏中（Conduction Loss），将刚才保存的截图添加到Plecs中 

3) 调整X、Y轴和坐标轴

这个地方由于X轴是电流，Y轴是电压因此需要将图片进行旋转一下，然后再调整X、Y轴

4)添加坐标点，把曲线描绘出来

1.2.6.添加热阻抗Thermal Chain

1)在规格书中找到thermal resistance这个图

2) 将参数填入到Plecs中

1.3.添加二极管的热模型描述

注意：二极管与IGBT在Thermal模型不同的地方在于，二极管只有关断损耗和导通损耗，没有开通损耗

建立一个二极管的热模型描述

1.3.1.添加关断损耗描述 Turn-off Loss

在规格书中找到电流If和Err的关系图，并截图保存，记住这个路径

然后添加到Plecs，并添加坐标点将曲线描述出来

注意：二极管的电压要填写为负电压

1.3.2.添加导通损耗描述Conduction Loss

这里与IGBT的导入方法一致，这里不再赘述

1.3.3.添加热阻抗Thermal Chain

注意：二极管的热阻抗参数与IGBT的热阻抗参数并不一致

1.4.添加散热部分

1.4.1.添加半导体壳到散热器的热阻抗网络

空白处输入thermal，选择Thermal Chain

1.4.2.添加热源和热地

空白处输入constant，选择constant temperature；空白处输入ground，选择thermal ground

这里解释一下模型里的参数与实际的器件参数的对应关系

IGBT Thermal模型里添加的参数指的是半导体结到IGBT外壳的阻抗参数，额外添加的热阻抗网路指的是IGBT的外壳到散热器之间的热阻抗，这个热阻抗一般是一层导热硅脂或者是导热硅脂+陶瓷垫片

需要注意的是Plecs中的Heatsink指的是IGBT的外壳，图片中的Heatsink指的是散热器，这里不要混淆

1.4.3.设置热阻网路和散热器参数

这里我们认为IGBT的外壳到散热器只有一层导热硅脂，所以热阻网络我们设置为一阶

因为这里我们认为恒温源就是散热器，通常风冷散热器的温度一般为60-90℃，这里我们取80℃

1.4.4.添加探针监测温度

这里我们监测3个温度，分别是IGBT的结温，IGBT的壳温也就是Heatsink的温度，二极管的结温

首先，添加Prob和scope，将IGBT，heatsink，二极管分别拖到Prob中，分别选择IGBT Junction Temp；Temperature；Diode Junction Temp

添加Signal Demultiplexer，这个模块的作用是将Prob中的3个信号进行分离，这样在Scope中显示出来就很清晰，当然Scope也要设置成3个通道

以上所有的模型搭建工作就结束了，接下来就可以运行一下模型，来检查一下我们之前的工作了

1.5.运行仿真模型

这里运行时间我们设置为10s

仿真模型运行成功，IGBT的最大结温为111.155℃，IGBT外壳的最大温度为89.8℃，二极管的最大结温为107.307℃

这里说明一下，这款IGBT的最大节温为175℃，一般IGBT的最大节温只有两种温度150℃和175℃，理论上节温只要不超过这个温度，IGBT都不会因为热发生损坏，但是实际上成熟的产品会将产品的稳定性和材料生产品质的波动性考虑进去，因此这个温度一般会打一个折扣，0.8~0.9之间，不同的公司定义也不一样

从这个仿真结果来看，IGBT的节温远远没有达到175℃，因此不会有热失效的问题

大家也可以修改一下热相关的参数，看看修改之后对结果有什么影响，加深对热损耗的理解