簡述功率MOSFET電流額定值和熱設(shè)計

電氣設(shè)備（如斷路器，電機或變壓器）的電流額定值，是指在某個電流下，器件本身達到的溫度可能損害器件可靠性和功能時的電流值。制造商雖然知道器件材料的溫度限值，但是他并不知道使用器件時的環(huán)境溫度。因此，他只能假設(shè)環(huán)境溫度。

1、什么是電流額定值？

電氣設(shè)備（如斷路器，電機或變壓器）的電流額定值，是指在某個電流下，器件本身達到的溫度可能損害器件可靠性和功能時的電流值。制造商雖然知道器件材料的溫度限值，但是他并不知道使用器件時的環(huán)境溫度。因此，他只能假設(shè)環(huán)境溫度。這就帶來了兩種后果：

? 每個電流額定值都與環(huán)境溫度相關(guān)（環(huán)境，散熱器，殼）。不考慮環(huán)境溫度而討論電流額定值是無意義的。

? 用來定義電流額定值的溫度可能與實際工作條件有關(guān)，也可能無關(guān)。如果有關(guān)，電流額定值可用于指示實際應(yīng)用中器件的電流能力。如果器件的額定值是在典型工況時不會遇到溫度下定義的，它就無法提供應(yīng)用中實際器件能力的信息。該值只能用來比較相似器件在相同溫度時的電流額定值。

電氣設(shè)備（如電機，斷路器）的電流額定值由各種協(xié)議和法規(guī)規(guī)定。其它器件，如變壓器，電阻和半導(dǎo)體的電流額定值都在數(shù)據(jù)手冊中進行了定義。因此，用戶必須核實器件能否在以下條件運行：

? 應(yīng)用中出現(xiàn)最大電流時

? 最大環(huán)境溫度時

? 未超出數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最高結(jié)溫

為了核實這3個要素，用戶必須進行“熱設(shè)計”。這可以是一項簡單的工作，或者是通過復(fù)雜的有限元分析得出結(jié)論。

此時，精明的讀者會意識到當他做熱設(shè)計時，就能找出實際應(yīng)用中器件的電流額定值，而不需要制造商所提供的電流額定值。制造商提供的各個電流額定值僅用于表明器件的能力，并縮小選擇范圍。

2、功率MOSFET電流額定值

熱設(shè)計對功率MOSFET非常重要，原因如下：

功率MOSFET的工作電流密度極大，且結(jié)溫和環(huán)境溫度相差極大

功率MOSFET的熱質(zhì)量極小，且會在幾毫秒之內(nèi)進入熱失控

因此，功率MOSFET必須進行散熱處理，且設(shè)計者須負責選擇散熱器或其它冷卻方法，即進行“熱設(shè)計”。

3、連續(xù)直流電流額定值

典型的功率MOSFET數(shù)據(jù)手冊包含了一個或多個“連續(xù)直流電流額定值”，通常由曲線圖補充，如圖1所示。這是基于以下假設(shè)：

? 功率MOSFET正在導(dǎo)通固定量的電流（無開關(guān)損耗）

? 在結(jié)里產(chǎn)生的熱量流入到無限散熱器

? 熱源和殼的溫度是恒定不變的。熱源（結(jié)）的溫度為最大值

圖 1.在器件封裝所允許的限值范圍內(nèi)時，連續(xù)直流電流額定值與殼溫之間的函數(shù)關(guān)系(IRLS3036PBF)

在以上假設(shè)下，計算熱值的方程式可簡化為：

?TJC  = Pd  x RthJ-C

由于器件制造商事先不知道使用器件時的熱環(huán)境，因此他將管殼溫度用作參考點得出了電流額定值。

然而，在實際應(yīng)用中，需考慮整個熱系統(tǒng)，因此以上簡化方程式轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

TJ   = TA  + (RthJ-C  + RthC-S  + RthS-A) PAV

其中：

TJ= 結(jié)溫              

TA= 環(huán)境溫度

RthJ-C= 結(jié)到殼熱阻抗                  

RthC-S = 殼到散熱器熱阻抗               

RthS-A= 散熱器到環(huán)境熱阻抗            

PAV= 平均功率耗散

通常，可利用以上公式計算出半導(dǎo)體的連續(xù)直流電流額定值。MOSFET有一個獨特的特性：電流和功率耗散呈平方關(guān)系。因此，通過下列公式就可計算出電流額定值：

其中RDS(on)是在額定TJmax時的導(dǎo)通電阻。RthJC 是內(nèi)部結(jié)到殼熱阻抗最大值，Tc是管殼溫度。其它功率器件的電流和功率耗散是非線性的關(guān)系，因此必須通過迭代過程確定其電流額定值。

在大多數(shù)應(yīng)用中，功率MOSFET的管殼溫度高于80oC。因此，功率器件的可用連續(xù)直流電流適用于80°和110°C之間的任意管殼溫度。這樣，管殼溫度和環(huán)境溫度之間有了足夠的差距，散熱器就能處理熱傳遞。25°C電流額定值是第一代雙極晶體管JEDEC遺留下來的標準值。

低壓MOSFET技術(shù)的進步降低了傳導(dǎo)損耗，使得封裝成為連續(xù)直流電流額定值的限制因素。圖1描述了這一點。 

4、開關(guān)模式操作中的電流能力

前述討論的連續(xù)直流電流額定值只作為一個比較基準，給設(shè)計者帶來的直接用途很有限，原因如下：

? 功率晶體管一般運行在開關(guān)模式，其占空比大大低于100％。設(shè)計者真正感興趣的是在實際“開關(guān)”操作情況下的載流能力

? 在開關(guān)模式下操作時，功率晶體管產(chǎn)生開關(guān)損耗。必須通過計算得出這些開關(guān)損耗，并將其添加到傳導(dǎo)損耗

? 開關(guān)模式下功率器件的選擇取決于浪涌要求，而非連續(xù)直流電流額定值和載流能力

只要第三節(jié)描述的第2種情況和第3種情況有效，我們就可以使用基本的熱值方程式計算出結(jié)溫。此時假定我們已知系統(tǒng)的功率耗散和熱阻抗。

通常將功率耗散分成2部分：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。功率MOSFET里的傳導(dǎo)損耗計算方法為Irms2x RDS(on)。不同波形的RMS內(nèi)容可在附錄中找到。開關(guān)損耗可通過開關(guān)波形，柵極電荷或分析方法計算出。IGBT的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗計算方法更為復(fù)雜。

第3節(jié)基本方程式中的功率指“平均”功率，且只要操作頻率相對于系統(tǒng)熱慣量高，結(jié)果就有效。隨著操作頻率上升，結(jié)的熱質(zhì)量消除瞬時溫度波動，且結(jié)更多地對平均功率損耗做出響應(yīng)，而不是峰值功率損耗。頻率高于幾千赫茲，且占空比大于20％時，逐周期溫度波動縮小，且峰值結(jié)溫上升等于平均功率耗散乘以DC結(jié)至殼熱阻抗，誤差在一個或兩個百分點內(nèi)。

當操作頻率很低時（幾十赫茲)，必須計算溫度紋波。下面將要討論的瞬態(tài)熱阻抗曲線描述了在低頻操作時如何計算溫度紋波。

5、脈沖條件下的結(jié)溫
 
在脈沖條件下，第3節(jié)描述的3個假設(shè)不再有效：
 
? 器件在穩(wěn)態(tài)模式下不再導(dǎo)通電流
? 結(jié)里產(chǎn)生的熱量一部分到系統(tǒng)熱質(zhì)量，一部分到環(huán)境
? 熱系統(tǒng)的各個點處的溫度在浪涌期間上升。
 
計算結(jié)溫的正確方法需考慮熱流的三維性質(zhì)，如圖2所示。通常通過有限元分析完成它。由于導(dǎo)通電阻和溫度成函數(shù)關(guān)系，功率耗散會隨著時間增加，且在分析中必須考慮采用合理的功率MOSFET電氣模型。

圖 2.由于熱量流向三個維度，因此“結(jié)溫”只是一個粗略估算值。結(jié)和熱系統(tǒng)剩余部分的不同點溫度不同。

在很多應(yīng)用中，結(jié)溫估算值就已足夠。此時，有兩種方法可以得出該估算值，具體如下：
 
瞬態(tài)熱阻抗
瞬態(tài)熱阻抗（或者更準確地說，叫熱響應(yīng)曲線）如圖3所示，且在所有的數(shù)據(jù)手冊中可以查看。

圖3. 瞬態(tài)熱阻抗曲線。請注意這是SPICE仿真的熱參數(shù)(IRLS3036PBF)。

該曲線提供了給定時段內(nèi)（x軸）浪涌的熱響應(yīng)系數(shù)（y軸）。如上圖所示，熱響應(yīng)系數(shù)（或熱阻抗）與導(dǎo)通時間t內(nèi)的功率耗散（即導(dǎo)通脈沖內(nèi)的功率，而非整個周期內(nèi)的平均功率）相乘得出重復(fù)性結(jié)到殼溫峰值的上升值。功率耗散則可通過浪涌期間器件兩端的電壓和電流計算出。
 
請注意對于長脈沖（在圖3中約10ms），熱響應(yīng)阻抗相等。
 
在有些數(shù)據(jù)手冊中，熱響應(yīng)系數(shù)歸一化為1。這意味著該系數(shù)需進一步與數(shù)據(jù)手冊里的熱阻抗相乘。
 
瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線假定恒定的管殼溫度。這通常對短于1到5ms的脈沖有效，具體脈沖長度取決于封裝的熱質(zhì)量。對于更長的浪涌脈沖，殼溫開始上升，結(jié)果就不是那么準確了。在空氣中或PQFN封裝下操作，殼溫最多上升1毫秒，該曲線不提供有用的信息。在這些情況下，必須采用有限元分析模擬整個熱系統(tǒng)。
 
對于大多數(shù)應(yīng)用（短脈沖和顯著熱質(zhì)量），如第3節(jié)描述，由于TC主要取決于平均功率耗散，因此它是可計算的。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，將溫度紋波疊加到平均管殼溫度，得到峰值結(jié)溫絕對值。
 
當結(jié)溫里的紋波很明顯時，瞬態(tài)熱阻抗曲線可用于計算重復(fù)率極低的功率脈沖的峰值溫度。合理的熱響應(yīng)發(fā)生在x軸上的脈沖寬度與適當占空比曲線交叉處。如上所述，熱響應(yīng)系數(shù)必須與脈沖期間的功率耗散相乘，然后再疊加到管殼溫度。
 
附錄 確定波形ID的均方根值（RMS)
 
MOSFET傳導(dǎo)損耗與RMS漏電流的平方成比例。電流波形很少是簡單的正弦曲線或矩形，這可能在計算IRMS的值時產(chǎn)生一些問題。對于那些可被分割成若干段，且能分段計算出其RMS值的波形，可通過下列等式和步驟確定它們的IRMS。
 
通過下列公式可計算出任意波形的RMS值

下圖顯示了多個簡單的波形，以及代入上面的等式可計算出IRMS的公式。
 
如果將下面各個圖中的波形進行組合可以得出大致令人滿意的實際波形，則可通過下列公式計算出波形的RMS值：
 

 
兩個波形不同時等于0時，以上內(nèi)容成立。