電子產品設計師為了在緊湊的空間中開發新的功能，管理電子產品的熱耗就變得極為重要，尤其是在電源轉換電路設計中，這點更為明顯。在大多數應用場合，功率半導體元件(二極體、MOSFET以及IGBT)消耗了主要的熱量，也是設計中首要考慮的熱源。
隨著機電技術不斷向固態電路應用發展，這種趨勢變得更為明顯，狹小的空間使得散熱變得極為困難。例如，對於像繼電器這樣的元元件，導通情況下要求的電阻應為1mΩ或者更小。但等效的固態元件(MOSFET)卻有許多優點，如取消了觸點損耗，減小了驅動電流要求，簡化了電流限制電路，但是其接觸電阻將會是繼電器的10～100倍，從而導致導通情況下的功耗也相應增加。
所以，熱限制因素是設計過程中首要考慮的，從而會產生很多方面的權衡。首先，電路的拓墣結構選擇最為關鍵，主要是如何選擇合適的開關頻率。就物理外觀設計而言，主要考慮半導體的類型、封裝以及印刷電路板的材料等。還需要考慮產品的工作環境，所能提供的散熱措施，如強迫風冷，或者高功率密度應用，如液體冷卻。當然所有的因素中，成本永遠是首位的。
功率半導體功耗評估 模擬軟體居要角
由於其複雜性，設計師需依靠功能日益強大的模擬軟體來開展產品的熱設計。模擬器採用數學模型來進行元件的功能和性能模擬計算，並不斷逼近產品的工作條件。對於功率元件來說，應對功耗進行詳細分析，如閘驅動方式、開關時間以及二極體的恢復特性等。
雖然傳統的電路模擬器基於靜態的熱模型，能可靠地計算低功耗晶片的性能，但對於功率電路來說，由於其本身發熱，這種方法是不夠的。在這種情況下，精確的模擬就依賴於元件性能受溫度的影響特性。設計師需要增加許多模型來描述元件的工作行為，也就是所謂的熱邊界。基於此可以得到溫度的預測，從而確定不同設計選擇下的影響，以完成最終的設計方案。
為了深入理解某種情況下的模擬應用，可採用不斷的迭代反覆設計，充分考慮功率電路的熱分析，從而滿足整體的設計要求。
在功率半導體，如二極體、MOSFET、IGBT等元件中，熱影響可以透過一些關鍵的參數來進行建模，如工作電壓、負載電流、開關頻率以及閘驅動電路等，這些熱源直接與系統設計過程中的散熱片相關，如封裝和安裝。
在時變電路，如切換式電源的設計過程中，半導體元件的一階功耗可由以下3個量的乘積進行預測：導通期間的平均電壓(V)、相應導通期間的平均電流(I)以及工作周期比(D)，即P=DVI。
當分析電路的時候，電流是電路工作過程中的關鍵參數，電壓是電流、元件類型、結溫以及半導體控制方式的函數，例如，導通狀態下MOSFET兩端的電壓可以透過漏電流(ID)以及導通狀態下的漏源電阻(R DS(on))乘積而得，而(R DS(on))本身又是閘驅動方式電流(ID)和溫度的函數。
在這種一階的分析過程中，半導體溫度可以由功耗與熱阻的乘積得到。然而，這種分析過程相對比較簡單，因為沒有考慮工作過程中的暫態情況，而該條件並不能忽略。功率電路工作過程中需要承受不斷的浪湧電流衝擊，尤其是當負載為電容性時，這種情況會更為惡劣，在這種情況下，暫態電流產生的功耗可能會達到穩態分析的數十倍。
這些限制條件可以藉由採用熱響應曲線來克服，在大多數的功率元件資料手冊中，設計師可以根據提供的熱響應曲線來初步確定元件在一定脈寬週期、幅度以及工作週期下的功耗。該資訊結合功耗預算情況可以初步估計元件從外殼到結點之間的溫度變化。
然而，這種方法本身有很多的限制，尤其是在不能描述外殼安裝方式的情況下，外殼到結點的溫度變化很難準確計算。
高級模擬技術
基於此，進一步提煉分析則需要依賴於高級模擬技術，不但可以計算總體熱響應，還可以觀察熱系統對電路工作參數性能的影響。
如前所述，傳統的電路模擬基於靜態的熱模型進行功耗計算，需要設計師增加一個二階動態的熱邊界模型來完成功耗的計算，這種分析方法可以透過很多工具實現。複雜的建模可由高級描述語言(HDL)實現，如Ansoft公司的Simplorer模擬器就具有VHDL-AMS編寫邊界的功能；Cadence公司的Spector模擬器還可以支援Verilog編程；Synopsys公司的Saber支援MAST語言編程。
然而最通用的技術(大多數的模擬器包括Spice)是採用巨集模型來實現熱邊界的描述。與HDL相比，儘管會有更多的限制，但隨模擬器的不同，採用巨集更容易實現且功能更加強大。
例如，當需要增加MOSFET元件的熱邊界時，僅需要修改兩個與溫度相關的參數：臨界值電壓VTH以及導通電阻R DS(on)，它們均和溫度密切相關。VTH近似線性增長，斜率約為-7mV／℃。透過改變R DS(on)即可獲得合理的熱邊界模型，該關係式可以經由下式表述：
R DS(on) (Tj) = R DS(on) (25°C) *[a*Tj2+ b*Tj + c]
儘管該等式較為簡單，但推導工作溫度的函數關係式卻比較複雜。
熱分析通常採用由電阻和電容構成的階梯網路來建模，其中階躍響應對應元件資料表中的單脈衝響應曲線。目前大多數MOSFET資料表中都包含階梯的原理框圖，對於較老的元件，僅提供了曲線。在階梯建模中，功率類似於電流而溫度類似於電壓。
熱邊界建模
獲得熱邊界建模的首要資訊就是量化熱阻和溫度之間的關係，也就是R DS(on) (TJ)。可以透過一個簡單的二階曲線擬合方法得到，在MOSFET資料表中，通常主要考慮特徵曲線上的3個點，獲得兩個二次方程的係數a、b，而恆定常數c可以經由建模獲得。
計算R DS(on) (TJ)的主要部分是獲得R DS(on) (25(C)值，這可以經由模擬器中元件的Spice模型得到。從下面的等式可以看出，R DS(on)本身產生的熱可以由導通電阻對溫度的導數得到。
dR DS(on) (Tj) = R DS(on) (25°C) *[2a*Tj+ b*]dTj
在該等式中，dRDS(on)等效於一個電阻與MOSFET元件的漏電阻相串聯。
根據上面的公式，元件的結溫(TJ)可以由MOSFET的暫態功率計算得到，忽略開關損耗，元件的功耗是漏電流與漏-源電壓的乘積。在熱階梯網路中，功率相當於熱源。有一點需要注意，就是在模型計算過程中，所用的電壓和電流必須為絕對值，因為無論電流流向何處，功耗總隨結溫的上升而增大，模型的輸出就是與TJ相對應的電壓。
最後，根據下式可以推導出任意溫度下的臨界電壓：
dVTH(Tj) = -0.007 * (Tj-25)
就電路模型而言，該關係式表示一個動態的電壓源與MOSFET元件的閘終端電阻相串聯。
根據上面的等式可建立元件的巨集模型，其中包括dRDS(on)(TJ)等式、暫態功耗以及dVTH(TJ)，同時還需要描述該MOSFET元件在模擬過程中的工作狀態，當MOSFET的VDS <100mV時需要指定為完全導通，也就是設定模擬器根據dRDS(on)增加溫度。
結語
需要進一步精確建立元件模型的關鍵就是考慮殼溫隨環境不斷變化的特性，這可以由設定元件邊界模型實現。總體上說，採用這種二階方程式動態模型的主要優點就是可以方便地獲得不同拓墣電路的模型，也就是虛擬原型技術。而且一旦模型建立，就可以包含到元件庫中以方便將來的設計使用。
隨著機電技術不斷向固態電路應用發展，這種趨勢變得更為明顯，狹小的空間使得散熱變得極為困難。例如，對於像繼電器這樣的元元件，導通情況下要求的電阻應為1mΩ或者更小。但等效的固態元件(MOSFET)卻有許多優點，如取消了觸點損耗，減小了驅動電流要求，簡化了電流限制電路，但是其接觸電阻將會是繼電器的10～100倍，從而導致導通情況下的功耗也相應增加。
所以，熱限制因素是設計過程中首要考慮的，從而會產生很多方面的權衡。首先，電路的拓墣結構選擇最為關鍵，主要是如何選擇合適的開關頻率。就物理外觀設計而言，主要考慮半導體的類型、封裝以及印刷電路板的材料等。還需要考慮產品的工作環境，所能提供的散熱措施，如強迫風冷，或者高功率密度應用，如液體冷卻。當然所有的因素中，成本永遠是首位的。
功率半導體功耗評估 模擬軟體居要角
由於其複雜性，設計師需依靠功能日益強大的模擬軟體來開展產品的熱設計。模擬器採用數學模型來進行元件的功能和性能模擬計算，並不斷逼近產品的工作條件。對於功率元件來說，應對功耗進行詳細分析，如閘驅動方式、開關時間以及二極體的恢復特性等。
雖然傳統的電路模擬器基於靜態的熱模型，能可靠地計算低功耗晶片的性能，但對於功率電路來說，由於其本身發熱，這種方法是不夠的。在這種情況下，精確的模擬就依賴於元件性能受溫度的影響特性。設計師需要增加許多模型來描述元件的工作行為，也就是所謂的熱邊界。基於此可以得到溫度的預測，從而確定不同設計選擇下的影響，以完成最終的設計方案。
為了深入理解某種情況下的模擬應用，可採用不斷的迭代反覆設計，充分考慮功率電路的熱分析，從而滿足整體的設計要求。
在功率半導體，如二極體、MOSFET、IGBT等元件中，熱影響可以透過一些關鍵的參數來進行建模，如工作電壓、負載電流、開關頻率以及閘驅動電路等，這些熱源直接與系統設計過程中的散熱片相關，如封裝和安裝。
在時變電路，如切換式電源的設計過程中，半導體元件的一階功耗可由以下3個量的乘積進行預測：導通期間的平均電壓(V)、相應導通期間的平均電流(I)以及工作周期比(D)，即P=DVI。
當分析電路的時候，電流是電路工作過程中的關鍵參數，電壓是電流、元件類型、結溫以及半導體控制方式的函數，例如，導通狀態下MOSFET兩端的電壓可以透過漏電流(ID)以及導通狀態下的漏源電阻(R DS(on))乘積而得，而(R DS(on))本身又是閘驅動方式電流(ID)和溫度的函數。
在這種一階的分析過程中，半導體溫度可以由功耗與熱阻的乘積得到。然而，這種分析過程相對比較簡單，因為沒有考慮工作過程中的暫態情況，而該條件並不能忽略。功率電路工作過程中需要承受不斷的浪湧電流衝擊，尤其是當負載為電容性時，這種情況會更為惡劣，在這種情況下，暫態電流產生的功耗可能會達到穩態分析的數十倍。
這些限制條件可以藉由採用熱響應曲線來克服，在大多數的功率元件資料手冊中，設計師可以根據提供的熱響應曲線來初步確定元件在一定脈寬週期、幅度以及工作週期下的功耗。該資訊結合功耗預算情況可以初步估計元件從外殼到結點之間的溫度變化。
然而，這種方法本身有很多的限制，尤其是在不能描述外殼安裝方式的情況下，外殼到結點的溫度變化很難準確計算。
高級模擬技術
基於此，進一步提煉分析則需要依賴於高級模擬技術，不但可以計算總體熱響應，還可以觀察熱系統對電路工作參數性能的影響。
如前所述，傳統的電路模擬基於靜態的熱模型進行功耗計算，需要設計師增加一個二階動態的熱邊界模型來完成功耗的計算，這種分析方法可以透過很多工具實現。複雜的建模可由高級描述語言(HDL)實現，如Ansoft公司的Simplorer模擬器就具有VHDL-AMS編寫邊界的功能；Cadence公司的Spector模擬器還可以支援Verilog編程；Synopsys公司的Saber支援MAST語言編程。
然而最通用的技術(大多數的模擬器包括Spice)是採用巨集模型來實現熱邊界的描述。與HDL相比，儘管會有更多的限制，但隨模擬器的不同，採用巨集更容易實現且功能更加強大。
例如，當需要增加MOSFET元件的熱邊界時，僅需要修改兩個與溫度相關的參數：臨界值電壓VTH以及導通電阻R DS(on)，它們均和溫度密切相關。VTH近似線性增長，斜率約為-7mV／℃。透過改變R DS(on)即可獲得合理的熱邊界模型，該關係式可以經由下式表述：
R DS(on) (Tj) = R DS(on) (25°C) *[a*Tj2+ b*Tj + c]
儘管該等式較為簡單，但推導工作溫度的函數關係式卻比較複雜。
熱分析通常採用由電阻和電容構成的階梯網路來建模，其中階躍響應對應元件資料表中的單脈衝響應曲線。目前大多數MOSFET資料表中都包含階梯的原理框圖，對於較老的元件，僅提供了曲線。在階梯建模中，功率類似於電流而溫度類似於電壓。
熱邊界建模
獲得熱邊界建模的首要資訊就是量化熱阻和溫度之間的關係，也就是R DS(on) (TJ)。可以透過一個簡單的二階曲線擬合方法得到，在MOSFET資料表中，通常主要考慮特徵曲線上的3個點，獲得兩個二次方程的係數a、b，而恆定常數c可以經由建模獲得。
計算R DS(on) (TJ)的主要部分是獲得R DS(on) (25(C)值，這可以經由模擬器中元件的Spice模型得到。從下面的等式可以看出，R DS(on)本身產生的熱可以由導通電阻對溫度的導數得到。
dR DS(on) (Tj) = R DS(on) (25°C) *[2a*Tj+ b*]dTj
在該等式中，dRDS(on)等效於一個電阻與MOSFET元件的漏電阻相串聯。
根據上面的公式，元件的結溫(TJ)可以由MOSFET的暫態功率計算得到，忽略開關損耗，元件的功耗是漏電流與漏-源電壓的乘積。在熱階梯網路中，功率相當於熱源。有一點需要注意，就是在模型計算過程中，所用的電壓和電流必須為絕對值，因為無論電流流向何處，功耗總隨結溫的上升而增大，模型的輸出就是與TJ相對應的電壓。
最後，根據下式可以推導出任意溫度下的臨界電壓：
dVTH(Tj) = -0.007 * (Tj-25)
就電路模型而言，該關係式表示一個動態的電壓源與MOSFET元件的閘終端電阻相串聯。
根據上面的等式可建立元件的巨集模型，其中包括dRDS(on)(TJ)等式、暫態功耗以及dVTH(TJ)，同時還需要描述該MOSFET元件在模擬過程中的工作狀態，當MOSFET的VDS <100mV時需要指定為完全導通，也就是設定模擬器根據dRDS(on)增加溫度。
結語
需要進一步精確建立元件模型的關鍵就是考慮殼溫隨環境不斷變化的特性，這可以由設定元件邊界模型實現。總體上說，採用這種二階方程式動態模型的主要優點就是可以方便地獲得不同拓墣電路的模型，也就是虛擬原型技術。而且一旦模型建立，就可以包含到元件庫中以方便將來的設計使用。
