در این شبیه‌سازی، رفتار حرارتی یک ترانزیستور IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) تحت تأثیر تلفات ناشی از هدایت و کلیدزنی بررسی می‌شود. هدف اصلی، تحلیل دقیق تغییرات دمایی قطعه در شرایط کاری متغیر و مقایسه دو مدل حرارتی متفاوت شامل مدل‌های فاستر (Foster) و کاور (Cauer) است. این مدل‌ها به‌طور گسترده در تحلیل حرارتی نیمه‌هادی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند و امکان پیش‌بینی رفتار دمایی در شرایط گذرای توان را فراهم می‌کنند.

در این شبیه‌سازی دو مبدل Buck مشابه در نظر گرفته شده‌اند. در یکی از آن‌ها، IGBT به مدل حرارتی فاستر متصل شده و در دیگری از مدل حرارتی کاور استفاده شده است. پارامترهای هر دو مدل به‌گونه‌ای تنظیم شده‌اند که پاسخ حرارتی کلی تقریباً معادل باشد تا امکان مقایسه مستقیم رفتار دمایی فراهم شود.

مدل‌سازی سیستم قدرت و ساختار شبیه‌سازی

ساختار کلی سیستم شامل دو مبدل Buck است که هر کدام بار یکسانی را تغذیه می‌کنند. در این ساختار، تلفات توان در کلید قدرت (IGBT)، دیود هرزگرد، و سایر اجزای مدار مانند سلف و خازن محاسبه می‌شود. با این حال، تمرکز اصلی تحلیل بر روی تلفات IGBT است که بیشترین سهم را در تولید حرارت دارد.

مدل حرارتی هر IGBT به یک شبکه حرارتی معادل متصل شده است. در مدل فاستر، شبکه‌ای از مقاومت‌ها و ظرفیت‌های حرارتی به‌صورت موازی استفاده می‌شود که رفتار گذرای دما را به‌خوبی تقریب می‌زند. این مدل بیشتر برای تطبیق با داده‌های تجربی دیتاشیت‌ها کاربرد دارد.

در مقابل، مدل کاور ساختاری فیزیکی‌تر دارد و مشابه یک مدار RC زنجیره‌ای سری طراحی می‌شود. این مدل امکان تحلیل دقیق‌تر مسیر جریان حرارت از محل اتصال (Junction) تا محیط را فراهم می‌کند و معمولاً برای تحلیل‌های مهندسی دقیق‌تر ترجیح داده می‌شود.

شرایط کاری و تغییر فرکانس کلیدزنی

در این شبیه‌سازی، سیستم در ابتدا با فرکانس کلیدزنی 40 کیلوهرتز کار می‌کند. در این حالت، سهم تلفات کلیدزنی نسبتاً بالا است اما تلفات هدایت در سطح پایین‌تری قرار دارد. در زمان 50 میلی‌ثانیه، فرکانس کلیدزنی به 20 کیلوهرتز کاهش می‌یابد.

این تغییر فرکانس تأثیر مستقیمی بر توزیع تلفات دارد. کاهش فرکانس باعث کاهش تعداد دفعات روشن و خاموش شدن کلید شده و در نتیجه تلفات کلیدزنی کاهش می‌یابد. از طرف دیگر، زمان هدایت در هر سیکل افزایش یافته و بنابراین تلفات هدایت افزایش پیدا می‌کند.

این تغییر در رفتار تلفات، به‌صورت مستقیم بر پروفایل دمایی IGBT اثر گذاشته و باعث تغییر شیب افزایش دما و مقدار نهایی آن می‌شود.

مدل‌های حرارتی فاستر و کاور

مدل فاستر یک مدل ریاضی مبتنی بر تقریب پاسخ گذرای حرارتی است. این مدل معمولاً از داده‌های تجربی استخراج شده و برای بازتولید رفتار دمایی در حوزه زمان بسیار مناسب است. با این حال، ساختار آن به‌طور مستقیم متناظر با فیزیک واقعی مسیر انتقال حرارت نیست.

در مقابل، مدل کاور یک مدل فیزیکی‌تر محسوب می‌شود که مسیر انتقال حرارت را به صورت شبکه‌ای از مقاومت‌ها و ظرفیت‌های حرارتی سری نمایش می‌دهد. این مدل امکان تحلیل دقیق‌تر انتقال حرارت از اتصال نیمه‌هادی به بدنه و سپس به هیت‌سینک را فراهم می‌کند.

در این شبیه‌سازی، مدل کاور به یک شبکه حرارتی درجه سوم متصل شده است تا رفتار آن با مدل فاستر درجه سوم قابل مقایسه باشد. این هم‌مرتبه‌سازی باعث می‌شود هر دو مدل پاسخ دینامیکی مشابهی در برابر تغییرات توان تلفاتی ارائه دهند.

تلفات توان و تحلیل انرژی

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که تلفات توان در بخش‌های مختلف مدار به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود: تلفات هدایت و تلفات کلیدزنی. تلفات هدایت مربوط به عبور جریان از نیمه‌هادی در حالت روشن است، در حالی که تلفات کلیدزنی ناشی از فرآیند روشن و خاموش شدن IGBT می‌باشد.

با استفاده از ابزار تحلیل انرژی در شبیه‌سازی، مشخص می‌شود که تغییر فرکانس از 40 کیلوهرتز به 20 کیلوهرتز باعث کاهش قابل توجه در تلفات کلیدزنی شده است. در مقابل، افزایش زمان هدایت باعث رشد تلفات هدایت در IGBT و دیود می‌شود.

خروجی تابع تحلیلی ee_getPowerLossSummary نیز این رفتار را تأیید می‌کند. در این خروجی، ستون Power نشان‌دهنده تلفات هدایت و ستون SwitchingLosses نشان‌دهنده تلفات کلیدزنی است. مقادیر به‌دست‌آمده برای دو IGBT در مدل‌های فاستر و کاور تقریباً مشابه هستند که نشان‌دهنده تنظیم مناسب پارامترهای حرارتی است.

تحلیل نتایج دمایی

یکی از مهم‌ترین خروجی‌های این شبیه‌سازی، منحنی دمای IGBT در طول زمان است. در هر دو مدل فاستر و کاور، افزایش دما به‌صورت تابعی از انرژی تلف‌شده مشاهده می‌شود. با افزایش تلفات توان، شیب افزایش دما نیز بیشتر می‌شود.

در لحظه تغییر فرکانس (50 میلی‌ثانیه)، یک تغییر واضح در رفتار حرارتی مشاهده می‌شود. در ابتدا، به دلیل تلفات بالاتر کلیدزنی، نرخ افزایش دما بیشتر است. پس از کاهش فرکانس، اگرچه تلفات کلیدزنی کاهش می‌یابد، اما افزایش تلفات هدایت باعث ادامه رشد دما با شیب متفاوت می‌شود.

مقایسه دو مدل نشان می‌دهد که مدل فاستر و کاور در شرایط تنظیم‌شده، پاسخ دمایی بسیار نزدیکی دارند. این موضوع نشان می‌دهد که هر دو مدل می‌توانند در تحلیل حرارتی IGBT با دقت قابل قبول مورد استفاده قرار گیرند، مشروط بر اینکه پارامترهای آن‌ها به‌درستی تنظیم شوند.

جمع‌بندی فیزیکی و مهندسی

این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که تحلیل تلفات حرارتی در IGBT تنها به محاسبه توان لحظه‌ای محدود نمی‌شود، بلکه نیازمند بررسی دینامیک انرژی و انتقال حرارت در طول زمان است. استفاده از مدل‌های حرارتی فاستر و کاور امکان پیش‌بینی دقیق رفتار دمایی را فراهم می‌کند و برای طراحی سیستم‌های قدرت با قابلیت اطمینان بالا ضروری است.

همچنین تغییر فرکانس کلیدزنی به‌عنوان یک پارامتر کنترلی مهم، نقش اساسی در توزیع تلفات دارد. انتخاب بهینه فرکانس می‌تواند توازن مناسبی بین تلفات هدایت و کلیدزنی ایجاد کرده و از افزایش بیش از حد دما جلوگیری کند.

در نهایت، این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که استفاده از ابزارهای تحلیل حرارتی در محیط Matlab و Simscape می‌تواند دید عمیقی نسبت به رفتار واقعی نیمه‌هادی‌ها ارائه دهد و به طراحی بهینه سیستم‌های الکترونیک قدرت کمک کند.