Симуляция термальных эффектов в полупроводниках

Используя тепловые порты

Определенные блоки Simscape™ Electrical™, например, блоки в библиотеке Semiconductors & Converters, содержат дополнительный тепловой порт. Этот порт скрыт по умолчанию. Если вы хотите моделировать выработанное тепло и температуру устройства, представьте тепловой порт на конкретном экземпляре блока в вашей блок-схеме:

Щелкните правой кнопкой по блоку, где вы хотите показать тепловой порт.
Из контекстного меню выберите Simscape> Block choices> Show thermal port.

Когда тепловой порт представлен, диалоговое окно блока содержит дополнительную вкладку, Thermal Port. Для полупроводниковых устройств вкладка всегда содержит тот же набор параметров.

Junction case and case-ambient (or case-heatsink) thermal resistances, [R_JC R_CA] — Вектор - строка [R_JC R_CA] двух тепловых значений сопротивления, представленных двумя Проводящими Теплопередачами, блокируется в Тепловой Модели для Полупроводниковых Блоков. Первое значение R_JC является тепловым сопротивлением между соединением и случаем. Второе значение R_CA является тепловым сопротивлением между портом H и случаем устройства. См. Тепловую Модель для Полупроводниковых Блоков для получения дальнейшей информации. Значением по умолчанию является [ 0 10 ] K/W.
Thermal mass parameterization — Выберите, хотите ли вы параметризовать количества тепла с точки зрения тепловых временных констант (By thermal time constants) или задать значения количества тепла непосредственно (By thermal mass). Для получения дополнительной информации смотрите Параметризацию Количества тепла. Значением по умолчанию является By thermal time constants.
Junction and case thermal time constants, [t_J t_C] — Вектор - строка [t_J t_C] двух тепловых значений временной константы. Первое значение t_J является временной константой соединения. Второе значение t_C является временной константой случая. Этот параметр только видим, когда вы выбираете By thermal time constants для параметра Thermal mass parameterization. Значением по умолчанию является [ 0 10 ] s.
Junction and case thermal masses, [M_J M_C] — Вектор - строка [M_J M_C] двух значений количества тепла. Первое значение M_J является количеством тепла соединения. Второе значение M_C имеет место количество тепла. Этот параметр только видим, когда вы выбираете By thermal mass для параметра Thermal mass parameterization. Значением по умолчанию является [ 0 1 ] J/K.
Junction and case initial temperatures, [T_J T_C] — Вектор - строка [T_J T_C] двух температурных значений. Первое значение T_J является температурой начальной буквы соединения. Второе значение T_C имеет место начальная температура. Значением по умолчанию является [ 25 25 ] °C.

Для получения дополнительной информации о выборе значений параметров см. Тепловую Модель для Полупроводниковых Блоков и Улучшания Числовой Производительности. Для объяснения отношения между Thermal Port и вкладками Temperature Dependence в диалоговом окне блока, смотрите Электрическое Поведение В зависимости от Температуры.

Тепловая модель для полупроводниковых блоков

Все блоки с дополнительными тепловыми портами включают внутреннюю тепловую модель с количествами тепла и сопротивлениями. Цель включать эту модель внутренне состоит в том, чтобы сохранить вашу схему ненарушенной тепловой моделью. Следующие данные показывают эквивалентную модель внутренней тепловой модели для полупроводниковых устройств.

Порт H в схеме соответствует тепловому порту H блока. Два блока Количества тепла представляют количество тепла случая устройства и количество тепла полупроводникового перехода, соответственно. Управляемый Исходный блок Уровня Теплового потока (названный Идеальным Источником Теплового потока в схеме) вводит тепло к модели со значением, равным электрически выработанному теплу от устройства.

Два Проводящих блока Теплопередачи моделируют тепловые сопротивления. Сопротивление R_JC (проводимость 1/R_JC) представляет тепловое сопротивление между соединением и случаем. Из-за этого сопротивления при нормальных условиях соединение будет более горячим, чем случай. Сопротивление R_CA представляет тепловое сопротивление между портом H и случаем устройства. Если устройство не имеет никакого теплоотвода, то в вашей модели вы должны порт connect H к Идеальному Температурному Источнику с его температурным набором к внешним условиям. Если ваше устройство действительно имеет внешний теплоотвод, то необходимо смоделировать теплоотвод внешне к устройству и соединить количество тепла теплоотвода непосредственно с портом H.

Если вы хотите сохранить все или часть тепловой модели устройства внешними к модели, можно обнулить необходимые параметры блоков. Следующие правила применяются:

Количество тепла случая должно быть больше, чем нуль.
Количество тепла соединения может только быть обнулено, если сопротивление случая соединения также обнуляется.
Если и случай и количества тепла соединения заданы, но сопротивление случая соединения является нулем, то начальные температуры, присвоенные соединению и случаю, должны быть идентичными.

Параметризация количества тепла

Таблицы данных обычно заключают оба в кавычки из тепловых сопротивлений, но редко дают значения для количеств тепла. Существует две опции параметризации для количеств тепла:

By thermal time constants — Параметризуйте количества тепла с точки зрения тепловых временных констант. Это значение по умолчанию.
By thermal mass — Задайте значения количества тепла непосредственно.

Тепловые временные константы t_J и t_C заданы можно следующим образом:

t_J = M_J · R_JC

t_C = M_C · R_CA

где M_J и M_C являются соединением и количествами тепла случая, соответственно, R_JC является тепловым сопротивлением между соединением и случаем, и R_CA является тепловым сопротивлением между портом H и случаем устройства.

Можно определить временную константу случая экспериментальным измерением. Если данные не доступны для временной константы соединения, можно или не использовать его и обнулить сопротивление случая соединения, или можно установить временную константу соединения на типичное значение одной десятой временной константы случая. Альтернатива должна оценить количества тепла на основе размерностей устройства и составила в среднем удельные теплоемкости материала.

Электрическое поведение В зависимости от температуры

Для блоков с дополнительными тепловыми портами существует две опции симуляции:

Моделируйте выработанное тепло, температуру устройства и воздействие температуры на электрических уравнениях.
Моделируйте выработанное тепло и температуру устройства, но не включайте воздействие температуры на электрических уравнениях. Используйте эту опцию, когда влияние температуры на электрических уравнениях является маленьким по диапазону температур, который будет моделироваться, или где первичная задача симуляции состоит в том, чтобы получить тепло, выработанное, чтобы поддержать разработку системы.

Тепловой порт и вкладка Thermal Port диалогового окна блока позволяют вам моделировать выработанное тепло и температуру устройства. Вкладка Thermal Dependence диалогового окна блока позволяет вам смоделировать воздействие температуры полупроводникового перехода на электрических уравнениях. Поэтому:

Чтобы моделировать все температурные эффекты, покажите тепловой порт блока и установите параметр Parameterization на вкладке Thermal Dependence к Model temperature dependence (или, для блоков с выбором опций для моделирования температурной зависимости, выберите одну из этих опций, например, Use an I-V data point at second measurement temperature).
Чтобы моделировать только выработанное тепло и температуру устройства, покажите тепловой порт блока, но установите параметр Parameterization на вкладке Thermal Dependence к None — Simulate at parameter measurement temperature.

Улучшание числовой производительности

Очень важно, чтобы вы установили реалистические значения для количеств тепла и сопротивлений. В противном случае температуры перехода могут стать экстремальным значением, и из области значений для допустимых результатов, которые в свою очередь могут проявиться как числовые трудности при симуляции. Простой тест, чтобы видеть, являются ли числовые трудности результатом нереалистичных тепловых значений, должен выключить температурную зависимость для электрических уравнений путем установки параметра Parameterization на вкладке Thermal Dependence к None — Simulate at parameter measurement temperature.

Тепловые временные константы обычно намного медленнее, чем электрические временные константы, таким образом, тепловые аспекты вашей модели вряд ли продиктуют максимальный фиксированный временной шаг, можно моделировать в (например, для аппаратно-программного моделирования). Однако, если необходимо удалить деталь (например, чтобы ускорить симуляцию), временная константа количества тепла соединения является обычно порядком величины быстрее, чем временная константа количества тепла случая. Можно удалить эффект количества тепла соединения, установив количество тепла соединения обнулить и также установив случай соединения тепловое сопротивление нулю.

Документация