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功率MOSFET的热阻特性

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发表于 2020-12-18 13:59 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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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。
9 T2 W- O% B& w" l1 w/ `1 |; N% w1 i; S; d! d8 t1 s: P# T
AON6590(40V,0.99mΩ)热阻2 e5 d* n; r; E8 [

7 ~" {  y, W3 u. m5 [0 u! Y: k7 A4 F, D; ~$ _$ f
1 结温校核曲线, r6 X6 c  c2 f( P' z4 f

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。9 O2 C$ z" H" H% `) h) n) b
2 }0 O5 p& O/ I
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。
' ?! @+ h. k' j0 a+ W3 |$ @0 e; p% J) P- m; _, {' `4 M# c
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。8 h* y" K4 ]3 P2 E" g
9 n1 W# G9 R/ F! F% Z9 @6 K; `
5 ]& z& @  e: N" P+ k8 Y' t5 q
2 稳态测量( c8 B- a7 m& u5 ^: Y! }

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。& d# Q. E- E- {, j7 O3 W8 B

* `+ g; ^7 W2 S6 Y7 b% j, t: I8 s6 s/ e4 O' p
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' ?! p5 m+ E; E9 K5 [
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)/PF3 k, M: L' A5 g+ g1 e+ N. Q
RqJC = (TJ-TC)/PF7 V) I0 H) h/ g- |2 i
RqJL = (TJ-TL)/PF
0 r+ }8 c' D' ?  l
. 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。% ]. U# U- }0 x/ A: N- m9 y

! @- m: y  W8 \! E8 u8 Z3 瞬态热阻
  |0 B6 ], n! z  [, x' u
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。! M7 H: Z/ C4 ~9 a" I
9 p7 [; ^' ^$ l
7 D- U, x, a0 A8 G+ o6 Q; k

! _9 m3 q" _  Q* c) ]0 z
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:! B( d% ~" O" O* Z# ~8 m  v: o) `* C
PF = IF*VF9 t8 F) E1 p, M) b
ZqJA = (TJ-TA)/PF
) |+ y& c( @- ^8 s. T$ `% iZqJC = (TJ-TC)/PF; S2 E- r+ q) E
ZqJL = (TJ-TL)/PF' m. f9 _" J1 h$ ]2 B- |

! 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。
4 C* [( h' i. p+ X5 F' p" M) i! V! t' Y9 k% K
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。
% o( a( k& J. A$ f& m' J6 G( h& {0 b
+ `# N# b# X0 O
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。
5 Y8 b  E- a* @0 ?) z

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2#
发表于 2020-12-18 14:03 | 只看该作者
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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发表于 2021-10-19 10:31 | 只看该作者
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