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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。( {& X, r5 B+ r. K0 o, l

6 p1 T' ~8 A/ A6 e- aAON6590(40V,0.99mΩ)热阻
- x: B$ W7 n/ M0 z* ]4 ~  w. ?/ J' S3 m
7 O2 a* Z$ x7 m7 Y5 g
1 结温校核曲线
$ T" S% H  C2 m! U- ^2 I* C
: e, h: m# ~9 I) V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。$ c3 U" N2 _4 c9 F) }* `' b& P9 v" `

% K! ?, e; J  P/ |2 N  U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。, c' P/ L, P% \
/ f# ^3 N% ~* S
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。
5 F, j" m  ?9 e$ M  ~( S" b- h& y8 G. X4 ]( ]8 E# o! v/ x( a

+ L: d4 k0 Z. E6 t, o, x( U2 \4 s9 i2 稳态测量! h' T* i* ~1 o  X" g% j  ^/ \
+ R8 _3 W6 h: n+ n0 g4 ^9 e
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。& [) S  M; p* ~" N( f
/ a7 r- F- I$ |& P" P
9 X% m4 P5 j. e# v4 P
加热功率或功耗就是二极管的电流乘以二极管压降:
) q* p; |8 u" d( o( YPF = IF * VF: M5 d% r' f+ A8 j% h+ d4 R/ k

# X) j5 c$ n7 s0 d) N# v! ~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:
1 d2 _: b( }7 }  I. jRqJA = (TJ-TA)/PF
. p' T) L: y% q+ P$ |6 n+ JRqJC = (TJ-TC)/PF
1 n1 W& S! s- q# iRqJL = (TJ-TL)/PF- Q8 q) ?* r, T7 |# W& l

- L: y1 J9 y4 L* W/ G$ u, d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。1 x" k/ T! z9 s' `( L3 e+ v

' D4 M7 i9 f" x7 E3 瞬态热阻
+ t" b$ h3 T5 d' U5 [0 `- L) W% o5 a) \
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。3 l& J* c5 x/ _/ o6 `& f6 f: Z
2 v& ]3 I0 t# p8 M7 D) P
1 H" v/ L- h5 V4 B- r; ^1 E

. f* H3 {; D" B$ t/ g) d
7 x2 H, i8 `$ h: z! L7 a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:* K/ {+ b% _2 w! G' p/ l+ \
PF = IF*VF5 E/ ]6 a8 N' L' x. H  @7 R" _  o5 m
ZqJA = (TJ-TA)/PF+ g( K/ j( p$ d, P1 l+ h
ZqJC = (TJ-TC)/PF
2 D7 n. V  y  ?" ]0 OZqJL = (TJ-TL)/PF
. {# `. |# g; Y6 P1 D; H7 ^- f/ S/ l9 L. H
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。
1 P' _' z; X* B1 ^4 u; P0 c5 f
) K) d8 Z& d  {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。
- P; t7 W5 H+ |- [5 G! s: I3 S& a& E% g! F+ S4 n5 p1 B: w1 P6 P

$ R5 B$ @; I& |+ u- _* m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。
& p$ a  C1 D6 y/ l; ^

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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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