Large temperature jumps in the structures of power semiconductor devices occurring when they are turned on and off significantly reduce the reliability of power circuits. Widely used electro-thermal modeling approaches for thermal circuits have a number of disadvantages: the use of interconnected Spice simulators and numerical 3D thermal field modeling tool requires a detailed description of 3D structures and a large computer time; the use of only Spice-like simulators of electrical circuits for mixed electro-thermal modeling require the creation of electro-thermal models of power components and significant CPU time costs due to the large difference in the time constants of the electrical and thermal parts. In this work, an improved scheme of multilevel automated electro-thermal modeling and simulation of power electronic components using Comsol software at the semiconductor device level, Spice simulation at the circuit level and Asonika-TM system at the printed circuit board (PCB) level is proposed and implemented. The developed additional software tools for the implementation of the proposed route are described, providing automation of power calculation processes in capacities of components of powerful circuits, components, of obtained values transferring to a thermal simulation tool and of forming electro-thermal models of circuit components. The correctness of the proposed modeling scheme was confirmed by the results of thermal-imaging analysis using an IR camera. The effectiveness of the proposed methodology was demonstrated through the example of a real PCB design with high-power MOSFETs for power stepper motor driving. In the analyzed circuit, a possible thermal failure of the output DMOSFETs due to their overheating was revealed. To improve conditions of their temperature value lowering it has been proposed to use larger electrode radiator with lesser thermal resistance.
Большие скачки температуры в структурах мощных полупроводниковых приборов при их включении и выключении существенно снижают надежность работы силовых схем. Широко используемые маршруты электротеплового моделирования тепловых схем имеют ряд недостатков: использование взаимосвязанных Spice-симуляторов электрических цепей и пакета 3D численного моделирования тепловых полей требует детального описания 3D-конструкций и больших затрат компьютерного времени; использование только Spice-подобных симуляторов электрических цепей для смешанного электротеплового моделирования требует создания электротепловых моделей силовых компонентов и значительных затрат процессорного времени из-за большой разницы в постоянных времени электрической и тепловой частей. В работе предложена и реализована усовершенствованная схема многоуровневого автоматизированного электротеплового моделирования мощных электронных компонентов с использованием программного обеспечения Comsol на уровне полупроводниковых приборов, Spice-моделирования на уровне принципиальных схем и системы «Асоника-ТМ» на уровне печатных плат. Описаны разработанные дополнительные программные средства для реализации предложенного маршрута, обеспечивающие автоматизацию процессов расчета мощностей компонентов мощных схем, передачи этих значений в пакет теплового моделирования и формирования электротепловых моделей компонентов схем. Корректность рассматриваемой схемы моделирования подтверждена результатами тепловизионного анализа с помощью инфракрасной камеры. Эффективность предложенной методологии продемонстрирована на примере реальной конструкции печатной платы силовой схемы, содержащей мощные МОП-транзисторы, для управления мощным шаговым двигателем. В анализируемой схеме выявлен возможный тепловой отказ выходных ДМОП-транзисторов вследствие их перегрева. Для улучшения условий снижения значений их температуры предложено использовать более крупный радиатор с меньшим тепловым сопротивлением.