Симуляция термальных эффектов в полупроводниках

Тепловое моделирование предоставляет данные, которые помогают вам оценить требования к охлаждению для вашей системы с помощью тепловых портов. Некоторые блоки в библиотеке Simscape™ Electrical™ Semiconductors & Converters имеют тепловые варианты, которые позволяют вам определять температуры устройства путем симуляции генерации тепла. Например, блок IGBT (Ideal, Switching), который моделирует трехполупроводниковое устройство с тремя клеммами, имеет тепловые варианты, которые могут симулировать тепло, генерируемое событиями переключения и потерями проводимости.

Для получения дополнительной информации о выборе значений параметров смотрите Улучшение числовой эффективности. Для объяснения связи между вкладками Thermal Port и Temperature Dependence в диалоговом окне блока смотрите «Электрическое поведение в зависимости от температуры».

Использование тепловых портов

Некоторые блоки Simscape Electrical, такие как блоки в библиотеке Semiconductors & Converters, содержат дополнительный тепловой порт, который по умолчанию скрыт. Если вы хотите симулировать сгенерированное тепло и температуру устройства, подвергните тепловой порт воздействию:

  1. Щелкните правой кнопкой мыши блок, в котором необходимо отобразить тепловой порт.

  2. Выбор Simscape > Block choices > Show thermal port.

Когда тепловой порт доступен, окно Block Parameters для этого блока содержит дополнительную вкладку, Thermal Port. Какие параметры видны, зависит от значения, которое вы задаете для параметра Thermal network:

Все блоки с опциональными тепловыми портами включают опциональную внутреннюю тепловую модель, чтобы сохранить вашу схему незакрытой.

Cauer Тепловая Модель

Этот рисунок показывает эквивалентную модель внутренней тепловой модели Cauer для полупроводниковых устройств.

Порт H соответствует тепловому порту H блока. Два блока Тепловой Массы представляют тепловую массу корпуса устройства и тепловую массу полупроводникового соединения, соответственно. Скорость потока жидкости Исходного блока тепла (называемая power_dissipated на схеме) входы тепла к модели со значением, равным электрически генерируемому теплу от устройства.

Два блока Проводящей Теплопередачи моделируют тепловые сопротивления. Сопротивление R_JC (1/R_JC проводимости) представляет тепловое сопротивление между соединением и корпусом. Из-за этого сопротивления соединение будет жарче, чем в случае нормальных условий. Сопротивление R_CA представляет тепловое сопротивление между портом H и корпусом устройства. Если устройство не имеет теплоотвода, необходимо подключить порт H к блоку Temperature Source с установленной на нем температурой к условиям окружающей среды. Если ваше устройство действительно имеет внешний теплоотвод, то вы должны смоделировать теплоотвод внешне к устройству и соединить тепловую массу теплоотвода непосредственно с портом H.

Если вы решите симулировать внутреннюю тепловую сеть блока через модель Cauer, будут видны следующие параметры:

  • Junction case and case-ambient (or case-heatsink) thermal resistances, [R_JC R_CA] - вектор-строка [R_JC R_CA] двух значений теплового сопротивления, представленный двумя блоками Проводящей Теплопередачи. Первое значение, R_JC, является тепловым сопротивлением между соединением и корпусом. Второе значение, R_CA, является тепловым сопротивлением между портом H и корпусом устройства. Значение по умолчанию [ 0 10 ] K/W.

  • Thermal mass parameterization - Выберите, хотите ли вы параметризовать тепловые массы с точки зрения тепловых временных констант (By thermal time constants), или задайте значения тепловой массы непосредственно (By thermal mass). Для получения дополнительной информации см. раздел «Параметризация тепловой массы». Значение по умолчанию является By thermal time constants.

  • Junction and case thermal time constants, [t_J t_C] - вектор-строка [t_J t_C] двух значений тепловых временных констант. Первое значение, t_J, является временной константой соединения. Второе значение, t_C, является временной константой случая. Чтобы включить этот параметр, установите Thermal mass parameterization равным By thermal time constants. Значение по умолчанию [ 0 10 ] с.

  • Junction and case thermal masses, [M_J M_C] - вектор-строка [M_J M_C] двух значений тепловой массы. Первое значение, M_J, является тепловой массой соединения. Второе значение, M_C, является тепловой массой случая. Чтобы включить этот параметр, установите Thermal mass parameterization равным By thermal mass. Значение по умолчанию [ 0 1 ] J/K.

  • Junction and case initial temperatures, [T_J T_C] - A вектора-строки [T_J T_C] двух значений температуры. Первое значение, T_J, является начальной температурой соединения. Второе значение, T_C, является начальной температурой в случае. Значение по умолчанию [ 25 25 ] °C.

Применяются следующие правила:

  • Тепловая масса корпуса должна быть больше нуля.

  • Тепловая масса соединения может быть задана равной нулю, только если сопротивление корпуса соединения также установлено равным нулю.

  • Если заданы и корпус, и тепловые массы соединений, но сопротивление соединения - нуль, то начальные температуры, присвоенные соединению и корпусу, должны быть идентичны.

Фостер тепловой модели

Этот рисунок показывает эквивалентную модель внутренней тепловой модели Фостера для полупроводниковых устройств.

Порт H соответствует тепловому порту H блока. Скорость потока жидкости Исходного блока тепла (называемая power_dissipated на схеме) входы тепла к модели со значением, равным электрически генерируемому теплу от устройства. Поскольку эта опция использует блоки Foster Thermal Model для моделирования тепловой сети, вам нужно подключить тепловой источник к порту H либо непосредственно, либо через некоторые дополнительные тепловые компоненты, чтобы поток степени имел четко определенный путь. Это не нужно в тепловой модели Cauer, потому что тепловые массы уже обеспечивают путь к тепловой ссылке.

Если вы решите симулировать внутреннюю тепловую сеть блока через модель Фостера, будут видны следующие параметры:

  • Thermal resistances, [R1 R2 … Rn] - строка n значений термостойкости, представленная элементами Фостера, используемыми в тепловой сети. Все эти значения должны быть больше нуля. Значение по умолчанию [ 4 6 ] K/W.

  • Thermal mass parameterization - Выберите, хотите ли вы параметризовать тепловые массы с точки зрения тепловых временных констант (By thermal time constants), или задайте значения тепловой массы непосредственно (By thermal mass). Для получения дополнительной информации см. раздел «Параметризация тепловой массы». Значение по умолчанию является By thermal time constants.

  • Thermal time constants, [t1 t2 … tn] - вектор-строка n значений тепловых временных констант, где n - количество элементов Фостера, используемых в тепловой сети. Длина этого вектора должна совпадать с длиной Thermal resistances, [R1 R2 … Rn]. Все эти значения должны быть больше нуля. При помощи этой параметризации тепловые массы вычисляются как Mi = ti/Ri, где Mi, ti и Ri являются тепловой массой, тепловым временем и тепловым сопротивлением для ith Фостер элемент. Чтобы включить этот параметр, установите Thermal mass parameterization равным By thermal time constants. Значение по умолчанию [ 6 18 ] с.

  • Thermal masses, [M1 M2 … Mn] - вектор-строка n значений тепловой массы, где n - количество элементов Фостера, используемых в тепловой сети. Все эти значения должны быть больше нуля. Чтобы включить этот параметр, установите Thermal mass parameterization равным By thermal mass. Значение по умолчанию [ 1.5 3 ] J/K.

Для внутренней тепловой модели Фостера тепловые сопротивления, постоянные теплового времени и тепловые массы должны быть больше нуля.

Внешняя тепловая модель

Если вы хотите смоделировать тепловую сеть полупроводникового блока внешне самому блоку, задайте значение параметра Thermal network External. Этот рисунок показывает эквивалентную модель внутренней тепловой модели для полупроводниковых устройств.

Порт H соответствует тепловому порту H блока. Скорость потока жидкости Heat Исходного блока (называется power_dissipated в схеме) представляет общую рассеянную степень в блоке. Рассеянная степень выводится как тепловой поток на узел H. Подобно тепловой модели Фостера, необходимо подключить тепловой источник или дополнительные тепловые компоненты к узлу H, чтобы тепло имело куда-то течь.

Если вы принимаете решение моделировать внешнюю внутреннюю тепловую сеть блока, дополнительные параметры отсутствуют.

Параметризация тепловой массы

Если вам нужно оценить тепловые массы, существуют две опции параметризации:

  • By thermal time constants - Параметризируйте тепловые массы с точки зрения тепловых временных констант. Это значение по умолчанию.

  • By thermal mass - Задайте значения тепловой массы непосредственно.

Для Cauer model (junction and case)тепловые константы t_J и t_C заданы следующим образом:

t_J = M_J · R_JC

t_C = M_C · R_CA

где M_J и M_C являются тепловой массой соединения и корпуса, соответственно, R_JC является тепловым сопротивлением между соединением и корпусом, а R_CA является тепловым сопротивлением между портом H и корпусом устройства.

Для Foster model, тепловая постоянная времени, ti, определяется следующим образом для ith Фостер- элемент:

ti = Mi · Ri,

где Mi и Ri являются тепловой массой и термическим сопротивлением ith Фостер- элемент, соответственно.

Можно определить константу случай-время путем экспериментального измерения. Если данные недоступны для константы соединения-времени, можно либо опускать константу и устанавливать сопротивление соединения-случая на нуль, либо можно задать константу соединения-времени на типовое значение одной десятой константы случая-времени. Кроме того, можно оценить тепловые массы на основе размерностей устройства и усредненных материально-специфических нагревов.

Электрическое поведение в зависимости от температуры

Для блоков с опциональными тепловыми портами существуют две опции симуляции:

  • Симулируйте сгенерированное тепло, температуру устройства и эффект температуры на электрические уравнения.

  • Симулируйте сгенерированное тепло и температуру устройства, но не включайте эффект температуры на электрические уравнения. Используйте эту опцию, когда влияние температуры на электрические уравнения мало для области значений температур, который вы моделируете, или где основной задачей симуляции является захват тепла, генерируемого для поддержки разработки системы.

Тепловой порт и вкладка Thermal Port окна Параметры Блоков позволяют моделировать сгенерированное тепло и температуру устройства. Для блоков с вкладкой Temperature Dependence возможно моделировать влияние температуры соединения на электрические характеристики. Вкладка Thermal Dependence позволяет моделировать эффект, который температура полупроводникового соединения оказывает на электрические уравнения. Поэтому:

  • Чтобы симулировать все эффекты температуры, покажите тепловой порт блока и, если блок имеет вкладку Temperature Dependence, установите параметр Parameterization на одну из указанных параметров, например Use an I-V data point at second measurement temperature.

  • Чтобы симулировать только сгенерированное тепло и температуру устройства, покажите тепловой порт блока и на вкладке Temperature Dependence установите Parameterization None — Simulate at parameter measurement temperature.

Улучшение числовой эффективности

Установите реалистичные значения тепловых масс и сопротивлений. В противном случае температуры соединений могут стать экстремальными и из области значений для допустимых результатов, что может проявляться как числовые трудности во время симуляции. Можно проверить, являются ли числовые трудности результатом нереалистичных тепловых значений, отключив температурную зависимость для электрических уравнений, создав окно Параметры Блоков, щелкнув вкладку Thermal Dependence и установив для Parameterization значение None — Simulate at parameter measurement temperature.

Тепловые временные константы обычно намного медленнее, чем электрические временные константы, поэтому тепловые аспекты вашей модели вряд ли будут диктовать максимальный фиксированный временной шаг, на котором вы можете моделировать (для примера, для оборудования в цикле симуляций). Однако, если вам нужно удалить детали (для примера, чтобы ускорить симуляцию), временная константа тепловой массы соединения обычно является порядком величины быстрее, чем временная константа тепловой массы случая. Yo может удалить эффект тепловой массы соединения путем установки теплового сопротивления соединения и случая соединения на нуль.

Моделируйте тепловые потери для выпрямителя

Моделируйте теплопередачу для одного диода выпрямителя

Чтобы смоделировать и измерить теплопередачу как функцию тепловых характеристик полупроводника, соедините тепловую сеть на основе модели Фостера и датчик температуры с блоком с тепловым портом.

  1. Откройте модель. В MATLAB® в командной строке введите: 

    ee_rectifier_diodes

    Модель содержит трехфазный выпрямитель, который включает шесть блоков Diode.

  2. Выберите тепловой вариант для блока Diode1, щелкнув правой кнопкой мыши блок и в контекстном меню выбрав Simscape > Block choices. Выберите Show thermal port.

  3. Откройте Diode1 блок. В настройках Thermal Port установите Thermal network равным External.

  4. Добавьте блок Simscape Electrical, который представляет тепловой поток между диодом и средой. Откройте Simulink® Браузер библиотеки, щелкните Simscape > Electrical > Passive > Thermal и добавьте блок Foster Thermal Model к модели.

  5. Откройте блок Foster Thermal Model и измените эти параметры:

    1. Thermal resistance data - Задайте [ 0.00311 0.008493 0.00252 0.00288 ] K/W.

    2. Thermal time constant data - Задайте [ 0.0068 0.0642 0.3209 2.0212 ] s.

  6. Добавьте эти блоки, чтобы представлять температуру окружающей среды как константу при помощи идеального источника температуры.

    1. В браузере библиотеки Simulink откройте библиотеку Simscape > Foundation Library > Thermal > Thermal Sources и добавьте блок Controlled Temperature Source.

    2. От Simscape> Foundation Library> Thermal > Thermal Elements библиотека, добавьте Thermal Reference блок.

    3. От Simscape> Foundation Library> Physical Signals > Sources библиотека, добавьте PS Constant блок. Для параметра Constant задайте значение 300.

  7. Добавьте эти блоки для измерения и отображения температуры Diode1:

    1. В браузере библиотеки Simulink откройте библиотеку Simscape > Foundation Library > Thermal > Thermal Sensors и добавьте блок Temperature Sensor.

    2. Из библиотеки Simscape > Utilities добавьте блок PS-Simulink Converter. Для параметра Output signal unit выберите K.

    3. Из библиотеки Simulink > Sinks и добавьте блок Scope.

  8. Расположите и соедините блоки как показано на рисунке.

  9. Пометьте сигнал от блока PS-Simulink Converter к блоку Scope двойным щелчком по линии между блоками и входом Temp (K).

  10. Симулируйте модель.

  11. Чтобы увидеть данные о температуре, откройте блок Scope.

    Температура Diode1 колеблется в области значений температур 0,3 К, когда она увеличивается от начального значения 300 К до точки осаждения 300,6-300,9 К к концу симуляции.

Моделируйте теплопередачу для всех диодов выпрямителя

Чтобы увидеть общее тепло, произведенное всеми полупроводниками в выпрямителе, используйте логгирование данных и Simscape Results Explorer.

  1. Чтобы позволить тепловые порты на всех диодах выпрямителя, выберите тепловые варианты для Diode2, Diode3, Diode4, Diode5 и блоков Diode6, щелкнув правой кнопкой мыши по блокам и выбрав Simscape> Block choices> Show thermal port.

  2. Откройте Diode2, Diode3, Diode4, Diode5, и блоки Diode6 и, в Thermal port параметрах настройки, установите Thermal network в External.

  3. Добавьте блоки для измерения теплопередачи для каждого диода путем создания подсистемы тепловой модели Фостера.

    1. Создайте копию этой группы блоков:

      • Foster Thermal Model

      • Controlled Temperature Source

      • PS Constant

      • Thermal Reference

    2. Расположите и соедините скопированные блоки как показано на рисунке.

    3. Создайте подсистему из скопированных блоков и переименуйте подсистему в Foster_D2. Для получения дополнительной информации см. раздел «Создание подсистем».

    4. Откройте Foster_D2 подсистему. Откройте блок Conn1, а для параметра Port location on the parent subsystem выберите Right.

    5. Сделайте четыре копии подсистемы Foster_D2. Присоедините одну подсистему к каждому из остальных блоков Diode и переименуйте подсистемы как Foster_D3- Foster_D6, чтобы соответствовать Diode3 через имена Diode6 блоков.

  4. Симулируйте модель.

  5. Просмотрите результаты с помощью Simscape Results Explorer.

    1. В окне модели, в тексте под Three-Phase Rectifier, нажмите Explore simulation results.

    2. Чтобы отобразить данные о температуре для Diode1, в окне Simscape Results Explorer разверните узел Diode1 > H и нажмите T.

    3. Чтобы отобразить постоянное напряжение на отдельном графике, разверните узел Sensing Vdc > Voltage Sensor, нажмите CTRL и нажмите V.

    4. Чтобы отобразить данные о температуре для всех диодов, разверните узел Diode2 > H, нажмите CTRL и нажмите T. Повторите процесс для Diode3 через Diode6.

    5. Чтобы наложить данные о температуре на один график, в окне Simscape Results Explorer, над окном узла дерева, нажмите кнопку опций. В диалоговом окне «Параметры» для Plot signals выберите Overlay. Чтобы принять изменение, нажмите OK. Щелкните и перетащите легенду вниз, чтобы четко увидеть данные о температуре.

    Профиль температуры для каждого диода последовательно отстает от профиля температуры Diode1. Для каждого диода температура также повышается и оседает по тем же значениям, что и температурный профиль для Diode1. Данные показывают, что из-за запаздывающего поведения отдельных температур диода температура выпрямителя повышается и оседает по тому же температурному профилю, что и диоды, но с меньшими колебаниями.

Simscape Electrical документация

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте