【经验】SiC限流装置（CLD）KE12LS200T的电热LTSpice模型说明

时间： 2019-12-28 来源：CALY Technologies

CALY Technologies采用碳化硅（SiC）材料制作出用于雷电保护应用的1.2kV/2 Ohm SiC限流装置（CLD）KE12LS200T，本文描述了SiC CLD电热LTSpice模型，旨在帮助客户设计和部署基于SiC CLD的雷电和电涌保护应用，通过帮助他们将建议的SiC CLD模型集成到LTSpice中以执行设备和系统级仿真。

SiC CLD LTSpice符号

实验波形与仿真波形

SIC限流装置建模程序

为了导出SiC CLD模型，已使用了最新的有限元分析工具。为了简化与LTSpice的集成，对衍生模型进行了修改。通过在不同环境中的多个系统级仿真以及通过实验测量，已经进行了广泛的验证和确认。设备建模过程如图1所示。

图1

限流装置LTSPICE模型说明

诸如电子迁移率之类的物理参数在半导体器件的行为中起着重要作用，在很大程度上取决于温度。但是，很少有类似SPICE的模型正确考虑温度对这些物理参数的影响。这就是为什么许多半导体器件模型如此不准确的原因。实际上，最多只能部分实现SPICE模型中的温度效应。晶格温度通常是作为可选的固定参数引入的，用户在启动模拟之前只能设置一次。通常，由于器件在准等温条件下运行，因此忽略温度影响会在低功耗应用中带来相当不错的仿真结果。复杂电路中的反馈和/或错误校正也有助于补偿热漂移。但是，在功率应用中，可能会在器件中消耗大量功率，从而导致重要的芯片温度变化。在这种情况下，必须将温度与电压和电流一起视为动态参数。为了提供准确的结果，必须在SPICE模型中实现温度的动态情况——这种模型称为电热模型。除了提高仿真精度之外，电热建模还可以监视器件温度（通常是结点或通道温度），并有助于防止由于耗散功率过多而引起的热故障。对于CLD，此信息至关重要，因为它可以精确地确定保护电路的尺寸，从而确保最佳的可靠性。与所有类似SPICE的模型一样，其有效性范围受到限制，必须特别注意结果，尤其是在极端电压和/或温度下。图2显示了CLD电热模型中使用的子电路图。它由基于集总元件的CLD电气说明以及管芯和封装的热模型组成。

图2

电气说明包括线性（寄生电阻器，电感器和电容器）和非线性器件（内部电流源），因此通过设备的固有参数（VDSint，IDint）和寄生元件（CP）描述了CLD的正向和反向行为。还包括寄生包装和外部访问元件（LD，LS，RD，RS）。在图2中，Tch表示平均通道温度，而Tc表示平均外壳温度。适当的电气表征是精确建模的基石。为了确保精度，必须使用超快速脉冲IV测量进行电特性分析，以避免自发热，并且自发热在很宽的温度范围内（通常为-50°C至200°C）。这样，便有可能确定设备的热参数，并为设备的行为建立一组描述方程。一个示例如图3所示。

图3：不同温度下的等温CLD IV曲线

除了电气特性外，还通过有限元方法（FEM）模拟对管芯+封装组件进行热描述。提取结构的热脉冲响应（即热阻抗）并将其表示为电RC网络（图4），该网络可实现稳态和瞬态自热预测。

图4

然后，将模型的两个部分耦合到一个紧凑的SPICE模型中，以用于LTSpice。计算结点耗散的功率，将其馈入热RC网络，并转变为温升。然后在该温度下计算新的电压和电流。该序列在每个仿真步骤重复一次，从而提供了实际的瞬时电压，电流和结温。

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