本文以鍵合 NTC 裸片為重點，采用模擬電路仿真的方法說明功率模塊降額和關(guān)斷基本原理。為什么用模擬方式? 模擬是簡化并以可視方式說明不同現(xiàn)象的理想方法，也適用于開發(fā)直觀的應(yīng)用。最后一個原因則是：我們僅用免費軟件 (LTspice) 開發(fā)仿真，而其他設(shè)計工具則用于更加復雜的設(shè)計。

 

用 LPspice 進行仿真模擬

 

1.電路圖設(shè)計

 

現(xiàn)在，我們來看圖1所示 LTspice 設(shè)計，這是一個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計。不過，由于 LTspice 的多功能性，IGBT 和二極管模型被熱模型取代，熱通量用輸出腳明確表示，可將其連接到熱電路 (如散熱器)。我們使用簡單的 RC 電路 (實際情況下，設(shè)計人員需要仔細將 Zth 模型定義為 Cauer 或 Foster 模型)。

 

圖1

 

轉(zhuǎn)換器工作期間，熱通量形成熱點 (本例中，節(jié)點 Tsyst 產(chǎn)生電壓，需要控制溫度)。這個溫度輸入 NTC 模型 (Vishay  引線鍵合裸片 NTCC200E4203_T)。NTC 信號通過惠斯通電橋與閾值對比、放大，與鋸齒形信號 (Vsaw) 進行比較。最終輸出 Vsw 是加在 IGBT 柵極的脈沖信號。Rlim 阻值定義溫度閾值以下，我們在 IGBT  柵極加 100 % 滿占空比脈沖。過熱時—IGBT 和二極管產(chǎn)生熱量—加上環(huán)境溫度 (熱電路節(jié)點 Tamb 電壓)，占空比減小，降壓轉(zhuǎn)換器輸出/輸入比 (Vout/Vcc) 下降。于是，熱量減小，溫度開始恢復穩(wěn)定。高于一定溫度極限時，這個比值必須減小到 1。

 

為在合理時間內(nèi)完成仿真，必須降低散熱器熱量。熱量增加可能需要幾分鐘甚至幾小時，我們希望很短時間內(nèi)看到效果。

 

2.仿真結(jié)果

 

以下是仿真結(jié)果：每個圖中顯示的結(jié)果含或不含溫度降額 (為取消溫度控制，Rlim 取值非常低)。

 

圖2（1.不含溫度降額  2.含溫度降額）

 

圖3

 

圖4（1.不含溫度降額  2.含溫度降額）

 

如圖2所示，升壓轉(zhuǎn)換器在最初 20ms 內(nèi)通常出現(xiàn)振蕩，未優(yōu)化的表現(xiàn)。溫度 Tsyst(圖4) 開始升高，然后環(huán)境溫度升高，當 Tsyst 達到 90°C 時，Vout/Vcc 開始降額。環(huán)境溫度每升高一點，占空比下降一點，直到升壓轉(zhuǎn)換器完全失效。110°C 時，降額達到最大值。

 

沒有溫度保護，Tsyst 可達到 160°C 至 170°C (圖4)。在實際功率模塊中，裸片峰值溫度可達到 200°C或更高。

 

電壓 Vsense、Vntc 和 Vlim 如圖3所示。圖5-圖6顯示不同時間占空比變化。

 

當然，所有閾值都是可調(diào)的，并且可以相應(yīng)調(diào)整開關(guān)閾值。

 

圖5

 

圖6

 

更復雜的仿真模擬設(shè)計

 

進行更復雜的仿真時，我們還可以重建全橋 IGBT 模塊 (如圖7所示)。這個電路電感負載產(chǎn)生 50Hz 正弦電流，IGBT 開關(guān)頻率為 30kHz。柵極驅(qū)動器仿真電路 125°C 以下保持恒定頻率，并降低占空比，以減輕 IGBT 高于這一溫度的損耗。

 

圖7

 

從圖8中，我們可以看到 IGBT 開關(guān)產(chǎn)生的總熱功率 (以 W 表示 I(V6))，以及隨時間升高的溫度 (以攝氏度表示 V(Tsyst))。

圖8（下圖）顯示生成的電流。

 

圖8

 

總結(jié)

 

無需贅述，調(diào)整調(diào)制參數(shù)可降低溫度隨時間升高 (上圖8的紅色曲線)：縮短開關(guān)占空時間可以減少熱量的產(chǎn)生，但也會造成正弦信號損失。

這里我們不再詳細介紹，但希望通過提供的示例說明，使用 NTC 熱敏電阻進行 LTspice 電路仿真具有更深遠意義，可以幫助 MOSFET / IGBT 模塊設(shè)計工程師更為直觀地開發(fā)電路，并幫助他們通過減小熱量提供電路保護。

 

 

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