功率MOSFET的热阻特性

SIN2020

功率MOSFET的结温影响器件许多工作参数及使用寿命，数据表中提供了一些基本的数据来评估电路中功率MOSFET的结温。本文主要来说明MOSFET的稳态和动态热阻的测量方法，以及它们的限制条件。热阻特性也直接影响着后面对于功率MOSFET电流参数和SOA特性的理解。
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AON6590(40V，0.99mΩ)热阻

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1 结温校核曲线

0 ~$ w4 n: U. z0 I+ e* Y6 B数据表中，功率MOSFET有不同的热阻值，数据表中的热阻都是在一定的条件下测试的。MOSFET反并联二极管相当于一个温度传感器，一定的温度对应着一定的二极管的压降。每一个硅器件都有自己独特的校准曲线，但是一旦确定，对于任何的封装都是有效的。

器件的安装有标准的形式，如果是表贴的元件，器件安装在1平方英寸2oz铜皮FR4的电路板PCB上，不是只靠器件本身单独散热来进行测试。
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热电偶安装在器件裸露的铜皮或管脚，然后将器件放在搅动的液体油中，器件热平衡后，体二极管流过固定的电流，电流大小为10mA，测量体二极管正向压降VF，热电偶对应的器件裸露铜皮或与芯片内部衬底相连的管脚的温度，以及环境温度，就可以得到典型的体二极管正向压降VF和随结温变化的校核曲线。


2 稳态测量

6 }; E4 R- d6 V2 H将装在标准PCB上的器件放在静态的空气中，器件上安装热电偶，器件通过一定的功率加热器件时，当连接到管脚的热电偶达到稳定状态，测量环境空气的温度TA和器件封装管脚的温度TC或TL，同时立刻切断加热功率，在10us以内器件没有冷却时，二极管电流切改为10mA，迅速测量二管极的压降VF，如图4所示。测量二极管的压降时，使用KELVIN连接法。

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加热功率或功耗就是二极管的电流乘以二极管压降：
4 Q) \" }. K$ s1 l2 y' u  C/ u! mPF = IF * VF
, V* e6 ]7 [* F9 s  f2 d# j
根据在10mA测得的二极管的压降VF，对应图1的校核曲线，就可以得到器件的结温TJ，稳态热阻结到环境空气RqJA、结到壳RqJC或结到管脚RqJL，可以从下面公式计算：
5 h; e+ A3 K& vRqJA = (TJ-TA)/PF
RqJC = (TJ-TC)/PF
RqJL = (TJ-TL)/PF
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. z/ C! @5 W: n0 ]' v& o虽然器件RqJA、RqJC或RqJL和实际偏差只有几个百分点，但是，通常使用20-30%的裕量来设定最大的定义值。

! @- m: y  W8 \! E8 u8 Z3 瞬态热阻
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7 K' f% t9 c" o) G瞬态热阻用来测量脉冲功率加在器件上时器件的热特性，对于小占空比、低频率的脉冲负载更为重要。AON6590的典型瞬态热阻曲线如图6所示。



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4 }4 _. t: H) O6 x/ \! p瞬态热阻测量的方法和稳态热阻的测量方法相同，测量单脉冲曲线时，器件通过单脉冲功率，然后关断单脉冲功率，10us内，将10mA电流流过二极管，测量二极管的压降VF。按照X轴的脉冲功率宽度，测量每一个点的值。每一点的瞬态热阻由下面公式计算：
PF = IF*VF
ZqJA = (TJ-TA)/PF
) |+ y& c( @- ^8 s. T$ `% iZqJC = (TJ-TC)/PF
ZqJL = (TJ-TL)/PF

! s5 v" j: f- J  }" X( k# V规一化值就是将上述值除以对应的稳态的热阻值。脉冲功率宽度非常低时，由于硅片、封装和FR4板的热容形成的时间常数影响结温上升率，因此测量的结温也非常小。对于同样的功率大小，脉冲时间短，热阻表现得越小，如图6的曲线所示，其它的曲线也一样用上述测量方法得到。
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固定的占空比，施加电流脉冲宽度跟随瞬态热阻曲线变化。在每一个测量条件下，在切断加热电流脉冲后10us内、二极管流过10mA电流测量二极管的电压VF前，器件要求达到稳态。通常，可以从得到的热网络模型中，分解得出这些曲线，以符合单脉冲曲线。从等效电路的观点，热阻网络可以等效为三级或四级的RC网络，如图7所示。每一级R和C的值，由相应的满足测量的单脉冲曲线来决定，对于占空比的变化是脉冲宽度的函数，这个模型可以用来得到热阻曲线。基于单脉冲曲线，在瞬态热加热曲线组中，使用3或4阶的RC网络仿真，可以得到其它的曲线。
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有效热阻受许多因素影响，如铜皮的面积和布局、邻近器件的加热、器件周围空气流动、功率耗散的能力、PCB板和器件管脚焊接质量、内部的封装质量等，因此，数据表中的热阻曲线只是提供一种参考，如果需要更为精确的温度，最好在系统上测量器件的实际的温度。
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数据表中，功率MOSFET有不同的热阻值，数据表中的热阻都是在一定的条件下测试的。MOSFET反并联二极管相当于一个温度传感器，一定的温度对应着一定的二极管的压降。每一个硅器件都有自己独特的校准曲线，但是一旦确定，对于任何的封装都是有效的。

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