CN104634466B - 半导体功率器件结温仿真电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体功率器件结温仿真电路，利用电学中RC积分电路充电公式与热学中的温升公式近似相同的原理，用积分器的电学模型仿真功率器件的热学模型，从而得到功率器件的实时结温信息。其特征是：结温仿真电路利用RC积分器上的积分电压动态模拟功率器件的结温升；电路中的RC时间常数等于热学模型中的热响应时间；电路中的电压输出与热学模型中的功率器件结温呈简单线性关系；电路具有环境温度补偿功能；电路可在恒定直流、单脉冲、重复脉冲及任意波形等各种工作方式下完成电学到热学的仿真；电路在结温超限时提供切断功率级及报警信号；电路在结温恢复正常时自动恢复功率级的正常工作。

Description

半导体功率器件结温仿真电路

技术领域

本发明公开了一种半导体功率器件结温仿真电路，其功能和性能适合于半导体器件专用测试设备中需要实时监测半导体功率器件结温的场合，同时也适用于其它需要实时监测半导体功率器件结温升的需求。

背景技术

半导体功率器件在应用过程中会因为其自身消耗功率而结温升高，当结温高于规定的最高结温时就有可能导致损坏，所以在使用功率器件的功率放大器中一方面需要给功率器件采取散热措施(例如加装散热器及通风)，另一方面要限定用户对功率放大器的使用条件(例如在直流状态下限定电流、电压、功率，在脉冲状态下限定脉冲电流、脉冲宽度和占空比等)。尽管如此，在用户可编程的系统中仍有可能因为应用不合理导致功率器件超出其安全工作区，进而使功率器件造成损坏。为解决该问题，在一些使用功率器件的功率放大器中可以将功率器件的外壳温度或散热器的温度测回，作为功率部件安全保护的依据，但是仍然还是存在一些无法解决的问题，主要在于：

1.外壳或散热器的温度低于功率器件的结温(芯片温度)，而且二者之间的温差并非一个固定值(视功率大小而定)，用外壳或散热器温度作为功率器件安全保护的依据并不科学。

2.在脉冲工作方式下，功率器件外壳或散热器的温升滞后于功率器件的结温升，在大功率脉冲下往往散热器温度并不高，但功率器件的结温瞬时早已经超过规定的最高结温，进而导致功率器件损坏。

因此只有实时获取功率器件的结温才有可能有效保护功率器件的安全工作，但这对于大多数不具备内部测温功能的功率器件来说几乎不可能做到，所以功率器件结温的实时测量和过温保护成了功率器件安全应用的难题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明利用电学中RC积分电路充电公式与热学中的温升公式近似相同的原理，设计出一种功率器件结温仿真电路，用积分器的电学模型仿真功率器件的热学模型，从而得到功率器件的实时结温信息，为过温保护线路提供了科学、有效的保护依据。

解决相关技术问题所采用的技术方案是：设计一种模拟功率器件散热模型的功率器件结温仿真电路。

其特征是：结温仿真电路利用RC积分器上的积分电压动态模拟功率器件的结温升；电路中的RC时间常数等于热学模型中的热响应时间；电路中的电压输出与热学模型中的功率器件结温呈简单线性关系；电路具有环境温度补偿功能；电路可在恒定直流、单脉冲、重复脉冲及任意波形等各种工作方式下完成电学到热学的仿真；电路在结温超限时提供切断功率级及报警信号；电路在结温恢复正常时自动恢复功率级的正常工作。

本发明的有益效果是，采用简单的模拟电路实时仿真了功率器件的结温升模型，实现了对功率器件结温的间接测量及仿真，为过温保护电路提供了科学、有效的保护措施和信息，进而提高了功率器件的使用安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是热学基本模型和电学基本模型的比较图。

图2是有热容量的热传导过程模型和有电容量的电传导过程模型的比较图。

图3是半导体功率器件结温仿真电路原理图。

具体实施方式

图1中的热学基本模型可表示为：

公式(1)是热传导的基本公式，式中：

q是单位时间流过导热体的热量；

λ是导热体的导热系数；

A是导热体的热传导截面积；

δ是导热体中沿热传导方向的长度；

T1和T2是导热体两个端截面的温度。

式中表示的是导热体的热导(即热阻的倒数，也可表示为)，于是公式(1)就可以演变为：

在半导体器件中由于所施加的功率几乎全部被转换成热量，因此在计算半导体器件的热阻公式中通常直接用功率P直接代替单位时间的热量q来完成热阻的计算，热阻计算公式为：

公式(3)中：

P是施加在半导体器件上的功率；

Rt是半导体器件的从芯片PN结(功率承受点)到环境温度的总热阻；

Tj是半导体器件的结温；

Ta是环境温度(即参考点温度)。

公式(3)可以解释为施加到热阻为Rt的半导体器件上的功率P，所产生的热量(热平衡后)将使芯片温度(结温)与环境温度之间产生Tj-Ta的温度差，这符合图1中热学基本模型。

图1中的电学基本模型可表示为：

公式(4)可以解释为流过电阻R的电流I，将在电阻R的两端产生U1-U2的电位差(即电压U)，这其实就是电学中的欧姆定律，由于公式(4)与公式(3)的相似性，所以可以用公式(4)的电学模型仿真公式(3)的热学模型。

公式(4)的电学模型对公式(3)的热学模型的仿真仅限于静态(即热平衡后)，要想仿真功率器件在动态工作状态下的实时结温变化，需要分析其热传导的过程，由于功率器件自身热阻和热容量的存在(包括散热器系统的热阻和热容量)，在向功率器件施加一阶跃功率时，其芯片温度Tj的升高要滞后于阶跃功率的施加，并遵循指数规律变化。

在热学中，热容量的公式为：

公式(5)中热容量(C’)的含义为改变单位温度(dT)所需要的单位热量(dQ)。

在电学中，电容量的公式为：

公式(6)中电容量(C)的含义为改变单位电压(dU)所需要的单位电量(dQ)。由此可以看出公式(6)和公式(5)的相似性，所以可以用电学中的公式(6)模拟热学中的公式(5)。

利用电学中的公式(4)和公式(6)可以推导出由电阻R和电容C构成的RC回路的电传导公式：

同样，利用热学中的公式(3)和公式(5)可以推出由热阻Rt和热容C构成的RC回路的热传导公式：

图2反映出公式(7)的电学模型和热学中公式(8)的热学模型的相似性。

根据公式(3)可以将公式(8)演变为：

公式(9)表达的是在特定的环境温度Ta下，当一个功率器件热系统的热阻Rt和热容量C被确定后(即热时间常数或热响应时间被确定后)，功率器件的结温Tj和所施加功率P之间的函数关系，并且可以用一个时间常数相同的电学模型公式(7)来进行仿真。

关键的问题是要使电学模型中的电传导时间常数(RC时间常数)等于热学模型中的热传导时间常数，并且要建立起电学模型中的电压和热学模型中的结温之间的对应关系。

图3是半导体功率器件结温仿真电路原理图，在图3中(以正电压为例，负电压电路与正电压电路对称)，电压差分放大器用于采集功率级自身承受的瞬时电压差，电流差分放大器用于采集功率级提供的瞬时电流，模拟乘法器(U1)用于求得瞬时电压差和瞬时电流的乘积(即瞬时功率)，由积分电阻(R1、R2)和积分电容(C1)构成的RC积分电路完成瞬时功率对时间的积分，在积分电容(C1)两端得到的即是仿真功率器件结温升的结温信号。

结温测试放大器(U2)完成结温升信号(积分电路输出)和环境温度信号T_Ta(由R3接入)的归一化和叠加，从而得到代表功率器件实时结温Tj的结温电压信号V_Tj。

结温比较器(U3)用于完成结温电压信号V_Tj和结温阈值信号S_Tj的比较，其输出是功率放大器的允许信号EN，当V_Tj小于S_Tj(正常状态)时，高电平EN信号经过与门D1(对负逻辑为“或”)，允许功率放大器的正常工作，当V_Tj大于S_Tj时，EN为低电平，使功率放大器停止工作，以保护功率级的功率器件，同时向应用程序发出警告，通知用户结温超限。

电阻R3的阻值决定了环境温度Ta和对应环境温度电压V_Ta之间的比例关系(例如20℃／V)，电阻R2的阻值决定了结温Tj和对应结温电压V_Tj之间的比例关系(例如20℃／V)，这两个比例关系必须保证一致才能在U2正确完成环境温度和结温的叠加(即环境温度补偿)。R4电阻完成流经R2电阻的电流(代表环境温度)和流经R3电阻的电流(代表结温升)的相加，R4电阻两端(等同于U2的输出端对地)的电压即是代表功率器件结温Tj的结温电压V_Tj。为方便温度、电压比例关系的统一及求和运算的方便，可取R2=R3=R4。

图3电路实现对功率器件结温的仿真，关键点在于让电学模型中的电传导时间常数(RC时间常数)等于功率器件热学模型中的热传导时间常数，后者可以用专用的热阻测试系统测试得到，而前者由图3中的R1、R2和C1决定，其时间常数等于(R1／／R2)·C1(即R1、R2并联后的阻值与C1容量的乘积)。在满足RC时间常数的前提下，R1的阻值将决定功率器件施加功率和积分电路输出电压之间的关系，在散热系统热阻确定的前提下，R1的阻值将最终决定结温和积分电路输出电压之间的比例关系。

Claims (5)

1.一种模拟功率器件散热模型的功率器件结温仿真电路，是用模拟乘法器、 RC 积分电路、结温测试放大器和结温比较器构成的仿真电路来动态、实时仿真功率器件的结温，其特征在于，所述模拟乘法器的输入连接功率放大器的电流采样，功率放大器设置有允许信号端，模拟乘法器的输出连接RC 积分电路输入，RC 积分电路输出连接结温测试放大器的负极输入，结温测试放大器的输出连接结温比较器的负极输入作为模拟的结温电压信号，结温比较器的正极输入连接设定的结温阈值信号，结温比较器的输出控制功率放大器的允许信号端，当模拟的结温电压信号大于结温阈值信号时，结温比较器的输出控制功率放大器的允许信号端关闭，其中，在结温测试放大器的负极输入连接有环境温度电压引进电路，所述RC 积分电路形成电学模型中的 RC充放电电路，它由串联的电阻R1、电阻R2和连接在电阻R1、电阻R2之间的电容C1组成，电阻R1连接模拟乘法器的输出；所述环境温度电压引进电路由电阻R3和电阻R4串联组成，电阻R3和电阻R4串联节点连接结温测试放大器的负极输入，电阻R3的输入连接环境温度电压，电阻R4的另一端连接在结温测试放大器的输出。

2.根据权利要求 1 所述的仿真电路，其特征在于，电学模型中的结温测试放大器电压输出 V-Tj 与热学模型中的功率器件结温 Tj 呈简单线性关系。

3.根据权利要求 1所述的仿真电路，其特征在于，所述电阻R2与电阻R3和电阻R4阻值相同。

4.根据权利要求 1 所述的仿真电路，其特征在于，结温超限时，所述结温比较器的输出控制功率放大器的允许信号端关闭的同时提供报警信号。

5.根据权利要求 1 所述的仿真电路，其特征在于，结温恢复正常时，所述结温比较器的输出控制功率放大器的允许信号端自动恢复功率级的正常工作。