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ROM 化によるパワー半導体デバイスの効率的な電気-伝熱シミュレーション
-伝熱シミュレーション
公開日2020年12月
パワーエレクトロニクスシステム開発では、熱制御がますます重要になっています。伝熱は、性能、信頼性、効率性に大きく影響します。現実的な荷重条件下でその要件に適合するには、システムレベルでの電気-伝熱シミュレーションが要求されます。モデリングでは、システムレベルのシミュレーションで必要な、コンパクトでも高精度な伝熱モデルの作成が大きな課題です。ここでは、ROM (モデル次数低減、以下ROM) という最新の数学アルゴリズムに基づく効率的な手法を提案し、パワーMOSFETモデルに関する手法を説明します。
目次
- 電気-伝熱シミュレーション
- ROM (モデル次数低減)
- パワーMOSFETの電気-伝熱システムシミュレーション
- 結論
電気-伝熱シミュレーション
システムレベルの電気-伝熱シミュレーションは、システムの電気および伝熱要素の複合シミュレーションです 。回路モデルで電力損失を計算し、その結果を伝熱サブシステムで使用して温度を評価します。一方、温度は回路パラメータに影響するため、双方向連成が必要になります。図の伝熱モデルは、単純な集中要素モデルです。一般的な複合ジオメトリの場合は、熱伝達の偏微分方程式によるさらに高精度の物理モデルが必要です。
ROM (モデル次数低減)
ROMは数学分野の1つであり、物理モデルを形式的に近似し、システムレベルシミュレーションに適した小型モデルを生成できます。具体的には、ROMは、マトリクスVで定義される低次元のサブスペースにシステムを射影します。Vの定義は、MORアルゴリズムによって異なります。誤差εが小さければ、近似は良好です。次数低減マトリクスは、Ansys Twin Builder、MATLAB/Simulink、その他のシステムレベルシミュレーションツールで直接読み込むことができます。また、次数低減モデルをSpiceモデルまたはVerilogAおよびVHDL-AMSで使用するためのテンプレートで書き出すこともできます。
パワーMOSFETの電気-伝熱システムシミュレーション
パワーMOSFETの自己発熱が原因で、特定デバイスで温度勾配および熱応力に関係する大幅な温度上昇が生じることがあります。トランジスタチャネル間の伝熱クロストークおよび温度依存発熱率により自己発熱現象が加速し、場合によっては熱暴走が発生することがあります。システム設計では、電源スイッチ、電子制御ユニット、荷重の詳細な電気-伝熱挙動を理解することが重要です。4つの独立チャネルがある新型のハイサイドスイッチデバイスのモデル作成手順および電気-伝熱システムシミュレーションについて説明します。
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