主要内容

模拟半导体中的热效应

通过使用热端口，热建模提供的数据可以帮助您估计系统的冷却需求。一些街区Simscape™电气™半导体和转换器库具有热变量，允许您通过模拟热生成来确定设备温度。例如，IGBT(理想，交换)Block模拟了一个三端半导体器件，具有热变量，可以模拟开关事件和传导损失产生的热量。

有关选择参数值的详细信息，请参见提高数值性能．为解释之间的关系热的港口而且的温度依赖性块对话框中的设置，请参见电学行为取决于温度．

使用热接口

某些Simscape电块，例如Semiconductors & Converters库中的块，包含一个默认隐藏的可选热端口。如果需要模拟产生的热量和设备温度，可以通过以下方式暴露热端口:

  1. 双击需要显示热端口的块。

  2. 设置建模选项参数显示热端口．

当热端口暴露时，该块的块参数窗口包含一个额外的设置，热的港口．的值，哪些参数是可见的热网络参数:

所有可选的热端口块包括一个可选的内部热模型，以保持您的图表整洁。

指定结和热外壳参数

该图显示了一个等效的模型指定结和热外壳参数半导体器件模型。

H端口对应热口H块的。两个热质量块分别表示器件外壳的热质量和半导体结的热质量。热流速率源块(在图中称为power_耗散)向模型输入热量，其值等于设备电产生的热量。

两个传导传热块模拟热阻。电阻R_JC(电导1/R_JC)表示结与壳体之间的热阻。由于这个电阻，结将比正常情况下的情况更热。电阻R_CA表示端口之间的热阻H还有设备盒。如果设备没有散热器，那么您应该连接端口H到一个温度源块，其温度设置为环境条件。如果您的设备确实有一个外部散热器，那么您必须在设备外部建模散热器，并将散热器热质量直接连接到端口H．

如果您选择通过结和热箱参数来模拟块的内部热网络，则启用这些参数:

  • 结箱和箱-环境(或箱-散热器)热阻，[R_JC R_CA]-行向量[R_JCR_CA]的两个热阻值，由两个传导传热块表示。第一个值，R_JC，为结与壳体之间的热阻。第二个值，R_CA，为端口之间的热阻H还有设备盒。

  • 热质量参数化-选择是否以热时间常数参数化热质量(通过热时间常数)，或直接指定热质量值(按热质量计算)．有关更多信息，请参见热质量参数化．默认为通过热时间常数．

  • 结壳热时间常数，[t_J t_C]-行向量[t_Jt_C]的两个热时间常数值。第一个值，t_J，为结时间常数。第二个值，t_C，为时间常数。若要启用此参数，请设置热质量参数化来通过热时间常数．

  • 接头和外壳热质量，[M_J M_C]-行向量[M_JM_C]的两个热质量值。第一个值，M_J，为结热质量。第二个值，M_C，为热质量。若要启用此参数，请设置热质量参数化来按热质量计算．

  • 结和壳的初始温度，[T_J T_C]-行向量[T_JT_C]的两个温度值。第一个值，T_J，为结初温度。第二个值，T_C，为本案的初始温度。

适用规则如下:

  • 外壳热质量必须大于零。

  • 如果结壳电阻也设置为零，则结热质量只能设置为零。

  • 如果外壳和结层的热质量都定义了，但是结层的电阻为零，那么分配给外壳和结层的初始温度必须相同。

标出模型

该图显示了半导体器件的内部Cauer热模型的等效模型。

如果您选择通过Cauer模型模拟块的内部热网络，则启用以下参数:

  • 热阻，[R1 R2…Rn]的行向量n热阻值，用热网络中使用的Cauer单元表示。这些值必须都大于零。

  • 热质量参数化-选择是否以热时间常数参数化热质量(通过热时间常数)，或直接指定热质量值(按热质量计算)．有关更多信息，请参见热质量参数化．默认为通过热时间常数．

  • 热时间常数，[t1 t2…tn]的行向量n热时间常数值，其中n为热网络中使用的Cauer元数。这个向量的长度必须与向量的长度相等热阻，[R1 R2…Rn]．这些值必须都大于零。用这个参数化，热质量计算为米我= t我/ R我,在那里米我，t我而且R我I的热质量，热时间和热阻是多少th标出三元素。若要启用该参数，请设置热质量参数化来通过热时间常数．

  • 热质量，[M1 M2…Mn]的行向量n热质量值，其中n是热网络中使用的Cauer元素的数量。这些值必须都大于零。若要启用该参数，请设置热质量参数化来按热质量计算．

  • 初始温度，[T1 T2…Tn]-温度值的行向量。它对应于模型中每个热容量的温度下降。

用福斯特系数参数化的Cauer模型

半导体器件的数据表通常使用福斯特系数来指定热模型。然而，Cauer热模型更有用，因为你可以用额外的热组件(如散热器、辐射和对流元素)来扩展它们。

如果要用福斯特系数模拟半导体器件的内部热网络，请设置热网络块的参数用福斯特系数参数化的Cauer模型．

请注意

该热网络是作为Cauer热网络实现的，但它的行为与使用相同参数的Foster模型实现完全相同。

该图显示了具有Cauer实现的等效热模型，其中每个Cauer热模型块具有用福斯特系数参数化Cauer参数选择。

此选项允许您将散热器和其他扩展连接到热网络，同时使用福斯特系数参数化热模型。

如果您选择通过福斯特系数参数化的Cauer模型来模拟该块的内部热网络，则启用这些参数:

  • 热阻，[R1 R2…Rn]-一排n热阻值，用热网络中使用的Cauer单元表示。这些值必须都大于零。

  • 热质量参数化-选择是否以热时间常数参数化热质量(通过热时间常数)，或直接指定热质量值(按热质量计算)．有关更多信息，请参见热质量参数化．默认为通过热时间常数．

  • 热时间常数，[t1 t2…tn]的行向量n热时间常数值，其中n为热网络中使用的Cauer元数。这个向量的长度必须与向量的长度相等热阻，[R1 R2…Rn]．这些值必须都大于零。用这个参数化，热质量计算为米我= t我/ R我,在那里米我，t我而且R我I的热质量，热时间和热阻是多少th促进元素。若要启用该参数，请设置热质量参数化来通过热时间常数．

  • 热质量，[M1 M2…Mn]的行向量n热质量值，其中n是热网络中使用的Cauer元素的数量。这些值必须都大于零。若要启用该参数，请设置热质量参数化来按热质量计算．

  • 初始节点温度，[T1 T2…Tn]-从结开始的每个节点的绝对温度值的行向量。

外部模型

如果要对半导体块本身外部的热网络建模，请设置热网络参数外部．该图显示了半导体器件内部热模型的等效模型。

港口H对应热端口H块的。热流速率源块(在图中称为power_耗散)表示该块中的总耗散功率。散热功率以热流的形式输出到H节点。与福斯特热模型类似，你需要将热源或其他热元件连接到H节点，这样热量就有地方流动了。

如果您选择在外部模拟块的内部热网络，则结热质量参数已启用。

热质量参数化

如果你需要估计热质量，有两个参数化选项:

  • 通过热时间常数-根据热时间常数参数化热质量。这是默认值。

  • 按热质量计算-直接指定热质量值。

为Cauer模型(结和个案)为热时间常数t_J而且t_C定义如下:

t_J＝M_J·R_JC

t_C＝M_C·R_CA

在哪里M_J而且M_C分别为结和壳热质量，R_JC结和壳之间的热阻，和R_CA端口之间是否存在热阻H还有设备盒。

为培养模型为热时间常数，t我，对于Ith促进因素:

t我＝米我·R我，

在哪里米我而且R我热质量和热阻是I吗th分别为寄养元素。

你可以通过实验测量来确定个案时间常数。如果没有连接时间常数的数据，则可以省略该常数并将连接情况电阻设置为零，或者可以将连接时间常数设置为典型值，即连接时间常数的十分之一。或者，您可以根据器件尺寸和平均材料特定热量来估计热质量。

电学行为取决于温度

对于具有可选热端口的块，有两个模拟选项:

  • 模拟产生的热量，器件温度，以及温度对电方程的影响。

  • 模拟产生的热量和器件温度，但不包括温度对电方程的影响。当温度对电气方程的影响对于您正在模拟的温度范围来说很小，或者当模拟的主要任务是捕获生成的热量以支持系统级设计时，请使用此选项。金宝app

热端口和热的港口Block Parameters窗口的设置可以模拟产生的热量和设备温度。对于带有的温度依赖性设定后，就可以模拟结温对电特性的影响。的的温度依赖性设置可以让您模拟半导体结的温度对电子方程的影响。因此:

  • 为了模拟所有的温度效应，显示块的热端口和，如果块有的温度依赖性设置，设置参数化参数设置为提供的选项之一，例如在第二次测量温度时使用I-V数据点．

  • 若要仅模拟产生的热量和设备温度，请显示块和的热端口的温度依赖性设置,设置参数化来无-在参数测量温度下模拟．

提高数值性能

设置实际的热质量和电阻值。否则，结温可能变得极端，超出有效结果的范围，这可能在模拟过程中表现为数值困难。你可以通过关闭电子方程的温度依赖关系来测试数值困难是否是不现实的热值的结果。打开“块参数”窗口，在的温度依赖性设置,设置参数化来无-在参数测量温度下模拟．

热时间常数通常比电时间常数慢得多，因此您的模型的热方面不太可能规定您可以模拟的最大固定时间步长(例如，对于硬件在环模拟)。然而，如果需要去除细节(例如，为了加速模拟)，结-热质量时间常数通常比情况-热质量时间常数快一个数量级。可以通过将结热质量和结壳热阻设置为零来消除结热质量的影响。

整流器的热损失模型

单个整流二极管的传热模型

为了模拟和测量作为半导体热特性函数的传热，将一个基于cauer的热网络与福斯特系数参数化，并将一个温度传感器连接到带有热端口的块上。

  1. 打开模型。在MATLAB中®命令提示符，输入:

    ee_rectifier_diodes

    该模型包含一个三相整流器，包括六个二极管块。

  2. 为Diode1块选择热建模选项，方法是双击该块并设置建模选项参数显示热端口．

  3. 打开Diode1块。

    1. 在热的港口设置,设置热网络来外部．

    2. 在最初的目标设置中,选择结温，并设置优先级来高而且价值来300K．

  4. 添加一个Simscape电块，表示二极管和环境之间的热流。打开Simulin金宝appk®图书馆浏览器，单击Simscape>电>被动>热，并添加Cauer热模型块到模型。

  5. 打开Cauer热模型块和修改这些参数:

    1. 在参数设置:

      • 选择用福斯特系数数据参数化Cauer模型参数。

      • 集热阻数据(Foster)来[0.00311 0.008493 0.00252 0.00288]K / W．

      • 集热时间常数数据(Foster)来[0.0068 0.0642 0.3209 2.0212]年代．

    2. 在最初的目标设置:

      • 选择热质量温度的矢量．

      • 集优先级来高．

  6. 通过使用理想温度源，将这些块相加以表示环境温度为常数。

    1. 在Simulink金宝app Library浏览器中，打开Simscape>基础库>热>热的来源库，并添加可控温度源块。

    2. 从Simscape>基础库>热>热元素库，添加一个热参考块。

    3. 从Simscape>基础库>物理信号>来源库，添加一个PS常数块。为常数参数，指定值为300并选择K对于单位。

  7. 添加这些块来测量和显示Diode1的温度:

    1. 在Simulink金宝app Library浏览器中，打开Simscape>基础库>热>热传感器库，并添加温度传感器块。

    2. 从Simscape>公用事业公司库，添加一个PS-金宝appSimulink转换器块。为输出信号单元参数,选择K．

    3. 从金宝app>汇库，并添加范围块。

  8. 如图所示排列并连接积木。

  9. 标记信号从PS-金宝appSimulink转换器块到范围块通过双击块之间的线并进入临时(K)．

  10. 模拟模型。

  11. 要查看温度数据，请打开范围块。

    Diode1的温度在0.3 K的温度范围内波动，因为它从初始值300k增加到模拟结束时的300.6-300.9 K的沉降点。

所有整流二极管的传热模型

要查看整流器中所有半导体产生的总热量，请使用数据记录和Simscape Results Explorer。

  1. 要启用所有整流二极管上的热端口，请通过双击Diode2, Diode3, Diode4, Diode5和Diode6块并设置建模选项参数显示热端口．

  2. 打开“Diode2”、“Diode3”、“Diode4”、“Diode5”和“Diode6”模块。

    1. 在热的港口设置,设置热网络来外部．

    2. 在最初的目标设置中,选择结温，并设置优先级来高而且价值来300K．

  3. 通过创建Cauer热模型子系统，添加块来测量每个二极管的传热。

    1. 复制这组块:

      • Cauer热模型

      • 可控温度源

      • PS常数

      • 热参考

    2. 排列和连接复制块如图所示。

    3. 从复制的块创建一个子系统，并将该子系统重命名为Cauer_D2。有关更多信息，请参见创建子系统．

    4. 打开Cauer_D2子系统。打开Conn1块，对于父子系统上的端口位置参数,选择正确的．

    5. 制作四份Cauer_D2子系统的副本。将一个子系统附加到每个剩余的Diode块上，并将子系统重命名为Cauer_D3到Cauer_D6，以匹配Diode3到Diode6块名称。

  4. 模拟模型。

  5. 使用Simscape results Explorer查看结果。

    1. 在模型窗口中，在文本下面三相整流器,点击探索模拟结果．

    2. 的温度数据Diode1，在“Simscape结果资源管理器”窗口中展开Diode1>H节点，单击T．

    3. 若要在单独的图中显示直流电压，请展开感应直流>电压传感器节点,按CTRL，并单击V．

    4. 若要显示所有二极管的温度数据，请展开Diode2>H节点,按CTRL，并单击T．对Diode3到Diode6重复上述过程。

    5. 要在单个图中覆盖温度数据，在Simscape Results Explorer窗口中，在树节点窗口上方，单击选项按钮。在“选项”对话框中，为图信号中,选择覆盖．若要接受更改，请单击好吧．点击并向下拖动图例，即可清楚地看到温度数据。

    每个二极管的温度分布依次滞后于Diode1的温度分布。对于每个二极管，温度也沿着与Diode1的温度分布相同的值上升和稳定。数据表明，由于个别二极管温度的滞后行为，整流器的温度沿相同的温度剖面上升和稳定，但波动较小。

另请参阅

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