Symulacja zjawisk termicznych komponentów mocy

Rys. 1. Model tranzystora IGBT: a) kompletnego, b) z odłączoną diodą, c) samej diody

Nieustanny rozwój systemów elektroniki przemysłowej i wzrost ich skomplikowania wymusza konieczność ich modelowania w zakresie nieliniowości, strat przełączania oraz termicznych właściwości wchodzących w ich skład komponentów. Program Multisim umożliwia symulację termiczną tranzystorów MOSFET i IGBT produkowanych przez firmy Infineon, NXP, IRF czy Texas Instruments, o 3 poziomach szczegółowości, niezbędnych do opracowywania modeli termicznych układów elektroniki przemysłowej.

W celu zapewnienia poprawności modeli, ich funkcje definiowane są przez producentów oraz dodatkowo weryfikowane przez National Instruments. Efektywna współpraca pomiędzy NI i producentami komponentów zapewnia nieustanny rozwój oferowanej z programem biblioteki.

Komponenty te są dostępne w bibliotece Multisim o nazwie Master Database w zakładce Power. Przykładowy model termiczny zawartego tam tranzystora IGBT pokazany jest na rysunku 1. Można wykorzystać go do symulowania strat mocy i temperatury pracy zarówno samodzielnego urządzenia, jak i całego obwodu przełączającego, w którym został wykorzystany. Korzystając z informacji o stratach przełączania, dostępnych w kartach katalogowych producenta, wybrany komponent można poprawnie skonfigurować do stworzenia efektywnego modelu elektrycznego, pomagającego w zrozumieniu elementarnych zachowań systemów przełączających zasilanie.

Rys. 2. Przekrój IGBT z zaznaczonymi rezystancjami termicznymi

Parametryzacja z użyciem informacji zawartych w dokumentacji technicznej rzeczywistych komponentów zapewnia zgodność wyników symulacji z efektami pracy fizycznego urządzenia. Na rysunku 1a pokazano analogiczny model IGBT, z tym, że podczas analizy elektrycznej równoległa dioda jest wyłączona z obliczeń, umożliwiając przełączanie prądu płynącego w obydwu kierunkach. Z kolei na rysunku 1c pokazano model termiczny samej diody będącej częścią wspominanego modelu IGBT.

Każdy z trzech omówionych elementów ma model ogólny, który może zostać skonfigurowany pod kątem konkretnego fizycznego elementu. Wprowadzone parametry zapewniają dokładną korelację między wynikami analizy wykonanej w oparciu o stworzony model, a pracą fizycznego układu. Stworzone konfiguracje mogą zostać zapisane, umożliwiając ich wielokrotne wykorzystanie w przyszłych projektach.

Opis analizy termicznej

Rys. 3. Zastępczy układ termiczny

Analiza termiczna pozwala na wyznaczenie strat mocy w poszczególnych komponentach oraz wyliczenie przewidywanej temperatury pracy. Wyznaczanie tego typu charakterystyk stanowi istotny element procesu projektowania elektroniki przemysłowej, szczególnie istotny w momencie szacowania wpływu zjawisk termicznych na cykl życia urządzenia. Na rysunku 2 przedstawiono uproszczoną strukturę typowego stopnia mocy wykorzystującego tranzystor IGBT oraz diodę, umieszczone we wspólnej obudowie zamontowanej na radiatorze.

Zarówno w przypadku IGBT, jak i diody, największa moc cieplna generowana jest w ich złączach z przewodzenia przepływającego prądu. Wydzielane tam ciepło jest rozpraszane w zewnętrznym środowisku. Im mniejsza impedancja termiczna, tym mniejszy wzrost temperatury.

Jednowymiarowy model przepływu ciepła jest jednym z najpopularniejszych modeli wykorzystywanych do uproszczonego symulowania powyższego zjawiska. Innym rozwiązaniem jest stworzenie modelu ścieżki termicznej z uwzględnieniem wszystkich impedancji termicznych na zetknięciu dwóch dowolnych powierzchni. Dobrym przykładem jest opis zjawiska termoelektrycznego na złączu z obudową (junction-to-case).

Rys. 4. Zastępczy układ termiczny

Dzięki opisanym uproszczeniom procesy termiczne mogą zostać zasymulowane oraz rozwiązane za pomocą tradycyjnych obwodów elektrycznych oraz ich symulacji. Energia (w formie strat cieplnych), tracona na strukturze urządzenia, reprezentowana jest przez prąd. Układy I x V mogą zatem zostać zdefiniowane jako źródła prądowe. Rozkład temperatury w różnych punktach układu termicznego jest reprezentowany za pomocą napięcia. Środowisko zewnętrzne symbolizuje źródło napięciowe. Ostatecznie impedancja termiczna jest opisana z wykorzystaniem elementów RC, tworzącymi obwód jak na rysunku 3.

Fizyczna struktura IGBT oraz dioda współdzielą powierzchnię obudowy i z uwagi na niewielką odległość temperatura obudowy jest identyczna w obu przypadkach, bez względu na to, czy pomiar wykonywany jest bliżej tranzystora czy diody. Stąd wartości Tc i Th , przedstawiające temperaturę wewnątrz obudowy układu i radiatora, są identyczne dla obu komponentów.

Podobnie jak przepływ prądu powoduje wzrost napięcia odkładanego na impedancji elektrycznej w obwodzie, tak przepływ mocy wzdłuż impedancji termicznej powoduje wzrost jej temperatury. Podczas tego procesu temperatura na węzłach wzrasta o wartość mocy przemnożonej przez obecną impedancję termiczną. Analiza wykazuje, że węzły znajdujące się bliżej generatora uzyskują wyższą temperaturę niż te znajdujące się bliżej zewnętrznego źródła.

Przykład analizy termicznej układu tranzystor-dioda

Rys. 5. Wyniki symulacji

Opisany element może zostać wykorzystany jako przykładowy system do analizy. W tym celu wybiera się ogólny model IGBT_DIODE_ THERMAL, którego parametry zostały skonfigurowane zgodnie z dokumentacją tranzystora IGBT FF600R17KE3 firmy Infineon. Następnie należy otworzyć plik chopper.ms13, przeanalizować schemat obwodu z tranzystorem IGBT oraz cewką i rezystancją wyjściową i umieścić sondę (On-page connector) na zaciskach termicznych diody, co umożliwi późniejsze wykorzystanie tego elementu w analizowanym modelu.

Na potrzeby symulacji radiator przyjmuje temperaturę otoczenia reprezentowaną przez impedancję termiczną umieszczoną przed elementem IGBT. TjQ odpowiada temperaturze tranzystora IGBT, PswQ przedstawia straty mocy przełączania, a PcQ straty mocy przewodzenia. Następnie można uruchomić analizę stanów przejściowych (Simulate » Analyses » Transient Analysis), która umożliwia zapoznanie się z czasową odpowiedzią obwodu oraz jej wpływem na tranzystor IGBT (rys. 4 i 5). Dostarcza on informacji na temat TjQ - temperatury złącza tranzystora (TjQ), strat mocy w trakcie przełączania (PswQ) oraz strat mocy przewodzenia na tranzystorze (PcQ).

Powyższa metoda umożliwia poznanie zasady pracy tranzystora IGBT w konkretnych warunkach. Symulacja zjawisk związanych z przepływem mocy w środowisku Multisim pozwala w pełni zrozumieć sposób, w jaki warunki termiczne wpływają na odpowiedź obwodu elektroniki mocy, a co za tym idzie, biorąc powyższe czynniki pod uwagę, zaprojektować odpowiedni układ.

National Instruments Poland sp. z o.o.
poland.ni.com