功率MOSFET的熱阻特性圖文詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-03-17
功率MOSFET的結(jié)溫影響器件許多工作參數(shù)及使用壽命，數(shù)據(jù)表中提供了一些基本的數(shù)據(jù)來評估電路中功率MOSFET的結(jié)溫。
本文主要來說明MOSFET的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)熱阻的測量方法，以及它們的限制條件。熱阻特性也直接影響著后面對于功率MOSFET電流參數(shù)和SOA特性的理解。
AON6590(40V，0.99mΩ)熱阻
數(shù)據(jù)表中，功率MOSFET有不同的熱阻值，數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測試的。
MOSFET反并聯(lián)二極管相當(dāng)于一個溫度傳感器，一定的溫度對應(yīng)著一定的二極管的壓降。每一個硅器件都有自己獨特的校準(zhǔn)曲線，但是一旦確定，對于任何的封裝都是有效的。
器件的安裝有標(biāo)準(zhǔn)的形式，如果是表貼的元件，器件安裝在1平方英寸2oz銅皮FR4的電路板PCB上，不是只靠器件本身單獨散熱來進(jìn)行測試。
圖2：測試結(jié)溫校核曲線
圖3：VF和結(jié)溫校核曲線，
IF=10mA
將裝在標(biāo)準(zhǔn)PCB上的器件放在靜態(tài)的空氣中，器件上安裝熱電偶，器件通過一定的功率加熱器件時，當(dāng)連接到管腳的熱電偶達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測量環(huán)境空氣的溫度TA和器件封裝管腳的溫度TC或TL，同時立刻切斷加熱功率，在10us以內(nèi)器件沒有冷卻時，二極管電流切改為10mA，迅速測量二管極的壓降VF，如圖4所示。測量二極管的壓降時，使用KELVIN連接法。
圖4：熱阻的測量電路
加熱功率或功耗就是二極管的電流乘以二極管壓降： PF = IF * VF 根據(jù)在10mA測得的二極管的壓降VF，對應(yīng)圖1的校核曲線，就可以得到器件的結(jié)溫TJ，穩(wěn)態(tài)熱阻結(jié)到環(huán)境空氣RqJA、結(jié)到殼RqJC或結(jié)到管腳RqJL，
可以從下面公式計算： RqJA = (TJ-TA)/PF RqJC = (TJ-TC)/PF RqJL = (TJ-TL)/PF 雖然器件RqJA、RqJC或RqJL和實際偏差只有幾個百分點，但是，通常使用20-30%的裕量來設(shè)定最大的定義值。
瞬態(tài)熱阻用來測量脈沖功率加在器件上時器件的熱特性，對于小占空比、低頻率的脈沖負(fù)載更為重要。AON6590的典型瞬態(tài)熱阻曲線如圖6所示。
圖6：規(guī)一化最大瞬態(tài)熱阻
瞬態(tài)熱阻測量的方法和穩(wěn)態(tài)熱阻的測量方法相同，測量單脈沖曲線時，器件通過單脈沖功率，然后關(guān)斷單脈沖功率，10us內(nèi)，將10mA電流流過二極管，測量二極管的壓降VF。
按照X軸的脈沖功率寬度，測量每一個點的值。每一點的瞬態(tài)熱阻由下面公式計算： PF = IF*VF ZqJA = (TJ-TA)/PF ZqJC = (TJ-TC)/PF ZqJL = (TJ-TL)/PF 規(guī)一化值就是將上述值除以對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)的熱阻值。
脈沖功率寬度非常低時，由于硅片、封裝和FR4板的熱容形成的時間常數(shù)影響結(jié)溫上升率，因此測量的結(jié)溫也非常小。對于同樣的功率大小，脈沖時間短，熱阻表現(xiàn)得越小，如圖6的曲線所示，其它的曲線也一樣用上述測量方法得到。
固定的占空比，施加電流脈沖寬度跟隨瞬態(tài)熱阻曲線變化。在每一個測量條件下，在切斷加熱電流脈沖后10us內(nèi)、二極管流過10mA電流測量二極管的電壓VF前，器件要求達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
通常，可以從得到的熱網(wǎng)絡(luò)模型中，分解得出這些曲線，以符合單脈沖曲線。從等效電路的觀點，熱阻網(wǎng)絡(luò)可以等效為三級或四級的RC網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。
每一級R和C的值，由相應(yīng)的滿足測量的單脈沖曲線來決定，對于占空比的變化是脈沖寬度的函數(shù)，這個模型可以用來得到熱阻曲線。基于單脈沖曲線，在瞬態(tài)熱加熱曲線組中，使用3或4階的RC網(wǎng)絡(luò)仿真，可以得到其它的曲線。
圖7：瞬態(tài)熱阻的模型
有效熱阻受許多因素影響，如銅皮的面積和布局、鄰近器件的加熱、器件周圍空氣流動、功率耗散的能力、PCB板和器件管腳焊接質(zhì)量、內(nèi)部的封裝質(zhì)量等，因此，數(shù)據(jù)表中的熱阻曲線只是提供一種參考，如果需要更為精確的溫度，最好在系統(tǒng)上測量器件的實際的溫度。
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