电子产品设计师为了在紧凑的空间中开发新的功能，管理电子产品的热耗就变得极为重要，尤其是在电源转换电路设计中，这点更为明显。在大多数应用场合，功率半导体器件(二极管、MOSFET以及IGBT)消耗了主要的热量，也是设计中首要考虑的热源。
随着机电技术不断向固态电路应用发展，这种趋势变得更为明显，狭小的空间使得散热变得极为困难。例如，对于像继电器这样的元组件，导通情况下要求的电阻应为1 mΩ或者更小。但等效的固态器件(MOSFET)却有许多优点，如取消了触点损耗，减小了驱动电流要求，简化了电流限制电路，但是其接触电阻将会是继电器的10～100倍，从而导致导通情况下的功耗也相应增加。
所以，热限制因素是设计过程中首要考虑的，从而会产生很多方面的权衡。首先，电路的拓扑结构选择最为关键，主要是如何选择合适的开关频率。就物理外观设计而言，主要考虑半导体的类型、封装以及印刷电路板的材料等。还需要考虑产品的工作环境，所能提供的散热措施，如强迫风冷，或者高功率密度应用，如液体冷却。当然所有的因素中，成本永远是首位的。
功率半导体功耗评估 仿真软件居要角
由于其复杂性，设计师需依靠功能日益强大的仿真软件来开展产品的热设计。仿真器采用数学模型来进行组件的功能和性能仿真计算，并不断逼近产品的工作条件。对于功率器件来说，应对功耗进行详细分析，如闸驱动方式、开关时间以及二极管的恢复特性等。
虽然传统的电路仿真器基于静态的热模型，能可靠地计算低功耗芯片的性能，但对于功率电路来说，由于其本身发热，这种方法是不够的。在这种情况下，精确的仿真就依赖于器件性能受温度的影响特性。设计师需要增加许多模型来描述组件的工作行为，也就是所谓的热边界。基于此可以得到温度的预测，从而确定不同设计选择下的影响，以完成最终的设计方案。
为了深入理解某种情况下的模拟应用，可采用不断的迭代反复设计，充分考虑功率电路的热分析，从而满足整体的设计要求。
在功率半导体，如二极管、MOSFET、IGBT等器件中，热影响可以透过一些关键的参数来进行建模，如工作电压、负载电流、开关频率以与门驱动电路等，这些热源直接与系统设计过程中的散热片相关，如封装和安装。
在时变电路，如切换式电源的设计过程中，半导体器件的一阶功耗可由以下3个量的乘积进行预测：导通期间的平均电压(V)、相应导通期间的平均电流(I)以及工作周期比(D)，即P=DVI。
路的时候，电流是电路工作过程中的关键参数，电压是电流、组件类型、结温以及半导体控制方式的函数，例如，导通状态下MOSFET两端的电压可以透过漏电流(ID)以及导通状态下的漏源电阻(RDS(on))乘积而得，而(RDS(on))本身又是闸驱动方式电流(ID)和温度的函数。
阶的分析过程中，半导体温度可以由功耗与热阻的乘积得到。然而，这种分析过程相对比较简单，因为没有考虑工作过程中的瞬时情况，而该条件并不能忽略。功率电路工作过程中需要承受不断的浪涌电流冲击，尤其是当负载为电容性时，这种情况会更为恶劣，在这种情况下，瞬时电流产生的功耗可能会达到稳态分析的数十倍。
条件可以藉由采用热响应曲线来克服，在大多数的功率组件数据手册中，设计师可以根据提供的热响应曲线来初步确定组件在一定脉宽周期、幅度以及工作周期下的功耗。该信息结合功耗预算情况可以初步估计组件从外壳到结点之间的温度变化。
这种方法本身有很多的限制，尤其是在不能描述外壳安装方式的情况下，外壳到结点的温度变化很难准确计算。这种情况可以由图1中完整的热堆栈模型来说明。
高级模拟技术
进一步提炼分析则需要依赖于高级模拟技术，不但可以计算总体热响应，还可以观察热系统对电路工作参数性能的影响。
如前所述，传统的电路仿真基于静态的热模型进行功耗计算，需要设计师增加一个二阶动态的热边界模型来完成功耗的计算(图2)，这种分析方法可以透过很多工具实现。复杂的建模可由高级描述语言(HDL)实现，如Ansoft公司的Simplorer仿真器就具有VHDL-AMS编写边界的功能；Cadence公司的Spector仿真器还可以支持Verilog编程；Synopsys公司的Saber支持MAST语言编程。
然而最通用的技术(大多数的仿真器包括Spice)是采用宏模型来实现热边界的描述。与HDL相比，尽管会有更多的限制，但随仿真器的不同，采用宏更容易实现且功能更加强大。
例如，当需要增加MOSFET组件的热边界时，仅需要修改两个与温度相关的参数：临界值电压VTH以及导通电阻RDS(on)，它们均和温度密切相关。VTH近似线性增长，斜率约为-7mV／℃。透过改变RDS(on)即可获得合理的热边界模型，该关系式可以经由下式表述：
RDS(on) (Tj) = RDS(on) (25℃)x[axTj2+ bxTj + c]
尽管该等式较为简单，但推导工作温度的函数关系式却比较复杂。
热分析通常采用由电阻和电容构成的阶梯网络来建模，其中阶跃响应对应组件数据表中的单脉冲响应曲线。目前大多数MOSFET数据表中都包含阶梯的原理框图，对于较老的组件，仅提供了曲线。在阶梯建模中，功率类似于电流而温度类似于电压。
热边界建模
获得热边界建模的首要信息就是量化热阻和温度之间的关系，也就是RDS(on) (TJ)。可以透过一个简单的二阶曲线拟合方法得到，在MOSFET数据表中，通常主要考虑特征曲线上的3个点，获得两个二次方程的系数a、b，而恒定常数c可以经由建模获得。
计算RDS(on) (TJ)的主要部分是获得RDS(on) (25℃)值，这可以经由仿真器中器件的Spice模型得到。从下面的等式可以看出，RDS(on)本身产生的热可以由导通电阻对温度的导数得到。
dRDS(on) (Tj) = RDS(on) (25℃) x[2axTj+ bx]dTj
在该等式中，dRDS(on)等效于一个电阻与MOSFET组件的漏电阻相串联。
根据上面的公式，器件的结温(TJ)可以由MOSFET的瞬时功率计算得到，忽略开关损耗，组件的功耗是漏电流与漏-源电压的乘积。在热阶梯网络(见图3)中，功率相当于热源。有一点需要注意，就是在模型计算过程中，所用的电压和电流必须为绝对值，因为无论电流流向何处，功耗总随结温的上升而增大，模型的输出就是与TJ相对应的电压。
最后，根据下式可以推导出任意温度下的临界电压：
dVTH(Tj) = -0.007x(Tj-25)
就电路模型而言，该关系式表示一个动态的电压源与MOSFET组件的闸终端电阻相串联。
根据上面的等式可建立器件的宏模型，其中包括dRDS(on)(TJ)等式、瞬时功耗以及dVTH(TJ)，同时还需要描述该MOSFET组件在仿真过程中的工作状态，当MOSFET的VDS <100mV时需要指定为完全导通，也就是设定仿真器根据dRDS(on)增加温度。(图4)
结语
需要进一步精确建立器件模型的关键就是考虑壳温随环境不断变化的特性，这可以由设定器件边界模型实现。总体上说，采用这种二阶方程式动态模型的主要优点就是可以方便地获得不同拓扑电路的模型，也就是虚拟原型技术。而且一旦模型建立，就可以包含到组件库中以方便将来的设计使用。
