Một bộ nghịch lưu được mô phỏng đầy đủ trên máy tính, hiệu suất tính ra 98,2%, tổn hao phân bổ hợp lý giữa các van. Đưa vào chạy thật, sau hai mươi phút ở đầy tải, nhiệt độ vỏ vượt xa dự đoán và một van bị hỏng. Mô phỏng không sai phép tính; nó sai giả thiết. Nó tính toàn bộ tổn hao tại một nhiệt độ cố định, trong khi linh kiện thật càng nóng càng tổn hao nhiều hơn.
Đây chính là lý do mô phỏng nhiệt-điện đồng thời tồn tại. Thay vì chạy bài toán điện rồi mới chuyển kết quả sang bài toán nhiệt, hai bài toán được giải xen kẽ và nuôi lẫn nhau cho tới khi hội tụ, đúng như cách vật lý diễn ra trong linh kiện.
Mô phỏng nhiệt-điện đồng thời bắt vòng lặp mà quy trình tách rời bỏ sót
Cơ chế rất đơn giản để mô tả và rất khó để bỏ qua. Linh kiện chuyển mạch sinh ra tổn hao dẫn và tổn hao đóng cắt. Tổn hao đó biến thành nhiệt, truyền qua trở nhiệt của gói và của đế tản nhiệt, làm nhiệt độ mối nối tăng lên. Nhưng các tham số quyết định tổn hao lại phụ thuộc chính nhiệt độ đó: điện trở dẫn của MOSFET tăng theo nhiệt độ, điện áp ngưỡng dịch, thời gian chuyển mạch thay đổi, tổn hao phục hồi ngược của diode cũng đổi theo.
Nghĩa là tổn hao cao hơn dẫn tới nhiệt độ cao hơn, và nhiệt độ cao hơn lại dẫn tới tổn hao cao hơn nữa. Quy trình tách rời cắt đứt vòng lặp này ở một điểm và chỉ đi một chiều, nên luôn cho kết quả lạc quan hơn thực tế.
Quan trọng hơn, quy trình tách rời không phân biệt được hai tình huống có hệ quả rất khác nhau. Trường hợp thứ nhất, vòng lặp hội tụ: nhiệt độ tăng vài vòng rồi ổn định ở một giá trị chấp nhận được. Trường hợp thứ hai, vòng lặp phân kỳ: mỗi vòng nhiệt độ lại cao hơn vòng trước và không dừng lại. Trường hợp thứ hai chính là hiện tượng chạy nhiệt, và chỉ đồng mô phỏng gói linh kiện mới nhìn thấy nó trước khi phần cứng được chế tạo.
Ghép nhiệt giữa các die và đỉnh nhiệt tức thời
Hai hiệu ứng thường bị bỏ sót ngay cả khi đã dùng mô phỏng đồng thời.
Thứ nhất là ghép nhiệt trong cùng một gói. Khi nhiều die nằm chung một đế, die nóng sưởi cho die bên cạnh qua đế và qua vật liệu gắn. Mô hình gán cho mỗi linh kiện một trở nhiệt riêng, độc lập với hàng xóm, sẽ tính ra nhiệt độ đều nhau một cách sai lệch, trong khi thực tế có một điểm nóng cục bộ mà chính nó quyết định tuổi thọ của gói. Với các mô-đun công suất tích hợp nhiều van, hiệu ứng này không phải chi tiết phụ.
Thứ hai là các đỉnh nhiệt ngắn. Phân tích ở trạng thái xác lập tính nhiệt độ khi mọi thứ đã cân bằng, nhưng các sự kiện nguy hiểm nhất lại là sự kiện quá độ: dòng khởi động lúc nạp tụ, một chu kỳ ngắn mạch, một bước tải đột ngột. Trong những khoảnh khắc đó, nhiệt sinh ra nhanh hơn tốc độ nó kịp lan ra đế tản, nên nhiệt độ mối nối vọt lên rồi hạ xuống trong vài chục micro giây. Trung bình theo thời gian thì vô hại; tại đỉnh thì có thể đã vượt giới hạn cho phép. Chỉ phân tích quá độ mới thấy được các đỉnh này và thời điểm chúng xuất hiện.
Mô phỏng chỉ đúng bằng dữ liệu đo nuôi nó
Đây là phần hay bị xem nhẹ nhất. Một bộ giải nhiệt-điện tốt vẫn cho kết quả sai nếu mô hình linh kiện nạp vào nó là các con số điển hình lấy từ datasheet.
Datasheet thường cho giá trị tại một hoặc hai điểm nhiệt độ, thường là 25 °C và một mức cao hơn, và là giá trị điển hình cho cả lô sản xuất. Vòng lặp nhiệt-điện thì cần cả một đường cong theo nhiệt độ, cho đúng linh kiện sẽ nằm trong sản phẩm. Chênh lệch giữa hai thứ đó chính là chênh lệch giữa một mô phỏng dùng được và một mô phỏng trông thuyết phục nhưng sai.
Bộ dữ liệu tối thiểu cần đo gồm: đặc tuyến dòng-áp ở nhiều mức nhiệt độ đế đo để dựng quan hệ điện trở dẫn theo nhiệt độ; điện tích cổng để tính đúng thời gian chuyển mạch; điện dung ký sinh theo điện áp phân cực để nắm được dao động ký sinh và vọt lố khi tắt; và tổn hao đóng cắt tính từ dạng sóng dòng-áp thực đo. Cách làm này về bản chất giống việc trích mô hình từ số liệu đo đã bàn trong bài về trích mô hình IBIS từ dữ liệu đo: mô hình chỉ đáng tin trong đúng vùng điều kiện mà nó được đo.
Đọc kết quả và biết khi nào không nên tin
Khi vòng lặp hội tụ, kết quả cần đọc không chỉ là nhiệt độ mối nối cao nhất mà còn là khoảng cách từ đó tới giới hạn cho phép của linh kiện, ở điều kiện môi trường xấu nhất mà sản phẩm phải chịu. Một thiết kế đạt ở nhiệt độ phòng nhưng chỉ còn dự phòng vài độ ở 45 °C môi trường là một thiết kế chưa xong.
Khi vòng lặp không hội tụ, đừng chỉnh tham số hội tụ của bộ giải để ép ra một con số. Phân kỳ ở đây là kết quả vật lý có ý nghĩa, không phải trục trặc số học: nó nói rằng ở điểm làm việc đó, với thiết kế tản nhiệt đó, hệ không có trạng thái cân bằng ổn định. Việc cần làm là đổi thiết kế tản nhiệt hoặc đổi điểm làm việc.
Cuối cùng, luôn kiểm chứng lại bằng đo đạc trên mẫu thật. Mô phỏng nhiệt-điện rút ngắn số vòng lặp phần cứng chứ không xoá bỏ chúng. So sánh nhiệt độ vỏ đo được với nhiệt độ vỏ mô phỏng, ở cùng điểm làm việc, là cách rẻ nhất để phát hiện mô hình trở nhiệt đang sai.
Chọn thiết bị Keysight cho luồng công việc này
Về phần mềm, giải pháp mô phỏng nhiệt-điện của Keysight tích hợp bộ giải nhiệt trực tiếp với môi trường layout và các bộ mô phỏng mạch, nên nhiệt độ dùng cho mô phỏng mạch là nhiệt độ tính từ chính layout đang thiết kế, có tính tới ghép nhiệt và đặc tính nhiệt của gói. Bộ công cụ này có trong dòng phần mềm thiết kế Keysight PathWave W4321EP. Một chi tiết đáng chú ý về quy trình: công cụ cho phép trích mặt cắt nhiệt ba chiều của một layout mà chưa cần sơ đồ nguyên lý, hữu ích ở giai đoạn sớm khi mới có bố trí mặt bằng.
Về phần đo, Keysight B1506A là máy phân tích linh kiện công suất hướng tới người thiết kế mạch, đo tới 3 kV và 1500 A, với dải nhiệt độ đo từ −50 đến +250 °C. Máy tích hợp sẵn các phép đo mà mô hình nhiệt-điện cần: đặc tuyến dòng-áp một chiều và dạng xung, đo điện dung, đo điện tích cổng, tính tổn hao công suất, cùng chức năng quan trắc và điều khiển nhiệt độ ngay trong lúc đo.
Khi linh kiện vượt khỏi dải đó, chẳng hạn các van SiC và GaN điện áp rất cao hoặc các linh kiện dùng trong truyền tải điện, Keysight B1505A mở rộng vùng đo lên tới 10 kV và 1500 A, với khả năng đo dòng xuống tới mức sub-pico ampe, xung hẹp 10 µs và đo điện trở dẫn ở mức micro ohm. Dải động rất rộng này cho phép dùng cùng một thiết bị để vừa đo dòng rò ở trạng thái khoá vừa đo điện trở dẫn ở trạng thái mở.
Kết luận
Mô phỏng nhiệt-điện đồng thời đáng làm vì nó bắt được đúng cơ chế mà quy trình tách rời bỏ sót: vòng phản hồi dương giữa tổn hao và nhiệt độ. Nhưng giá trị của nó tỉ lệ thuận với chất lượng dữ liệu linh kiện nạp vào. Hãy đo đặc tuyến theo nhiệt độ cho chính linh kiện sẽ dùng, kiểm tra vòng lặp có hội tụ không thay vì chỉ đọc con số cuối cùng, và luôn đối chiếu lại với nhiệt độ đo trên mẫu thật.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và hỗ trợ hiệu chuẩn máy phân tích linh kiện, thiết bị đo tham số cùng các hệ đo điện tử công suất. Để được tư vấn cấu hình đo đặc tính linh kiện công suất hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
