功率MOSFET的結溫影響器件許多工作參數及使用壽命，數據表中提供了一些基本的數據來(lái)評估電路中功率MOSFET的結溫。本文主要來(lái)說(shuō)明MOSFET的穩態(tài)和動(dòng)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(zhù)后面對于功率MOSFET電流參數和SOA特性的理解。

 

AON6590(40V，0.99mΩ)熱阻

 

 

 

1 結溫校核曲線(xiàn)

 

數據表中，功率MOSFET有不同的熱阻值，數據表中的熱阻都是在一定的條件下測試的。MOSFET反并聯(lián)二極管相當于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對應著(zhù)一定的二極管的壓降。每一個(gè)硅器件都有自己獨特的校準曲線(xiàn)，但是一旦確定，對于任何的封裝都是有效的。

 

器件的安裝有標準的形式，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(lái)進(jìn)行測試。

 

圖1：測試元件及PCB

 

熱電偶安裝在器件裸露的銅皮或管腳，然后將器件放在攪動(dòng)的液體油中，器件熱平衡后，體二極管流過(guò)固定的電流，電流大小為10mA，測量體二極管正向壓降VF，熱電偶對應的器件裸露銅皮或與芯片內部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度，就可以得到典型的體二極管正向壓降VF和隨結溫變化的校核曲線(xiàn)。

 

圖2：測試結溫校核曲線(xiàn)

 

 

 

圖3：VF和結溫校核曲線(xiàn)，IF=10mA

 

2. 穩態(tài)測量

 

將裝在標準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(guò)一定的功率加熱器件時(shí)，當連接到管腳的熱電偶達到穩定狀態(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(shí)立刻切斷加熱功率，在10us以?xún)绕骷](méi)有冷卻時(shí)，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(shí)，使用KELVIN連接法。

 

圖4：熱阻的測量電路

 

 

圖5：測量熱阻

 

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

 

根據在10mA測得的二極管的壓降VF，對應圖1的校核曲線(xiàn)，就可以得到器件的結溫TJ，穩態(tài)熱阻結到環(huán)境空氣RqJA、結到殼RqJC或結到管腳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(shí)際偏差只有幾個(gè)百分點(diǎn)，但是，通常使用20-30%的裕量來(lái)設定最大的定義值。

 

3 瞬態(tài)熱阻

 

瞬態(tài)熱阻用來(lái)測量脈沖功率加在器件上時(shí)器件的熱特性，對于小占空比、低頻率的脈沖負載更為重要。AON6590的典型瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)如圖6所示。

 

 

圖6：規一化最大瞬態(tài)熱阻

 

瞬態(tài)熱阻測量的方法和穩態(tài)熱阻的測量方法相同，測量單脈沖曲線(xiàn)時(shí)，器件通過(guò)單脈沖功率，然后關(guān)斷單脈沖功率，10us內，將10mA電流流過(guò)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(gè)點(diǎn)的值。每一點(diǎn)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

 

規一化值就是將上述值除以對應的穩態(tài)的熱阻值。脈沖功率寬度非常低時(shí)，由于硅片、封裝和FR4板的熱容形成的時(shí)間常數影響結溫上升率，因此測量的結溫也非常小。對于同樣的功率大小，脈沖時(shí)間短，熱阻表現得越小，如圖6的曲線(xiàn)所示，其它的曲線(xiàn)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(xiàn)變化。在每一個(gè)測量條件下，在切斷加熱電流脈沖后10us內、二極管流過(guò)10mA電流測量二極管的電壓VF前，器件要求達到穩態(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(xiàn)，以符合單脈沖曲線(xiàn)。從等效電路的觀(guān)點(diǎn)，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，由相應的滿(mǎn)足測量的單脈沖曲線(xiàn)來(lái)決定，對于占空比的變化是脈沖寬度的函數，這個(gè)模型可以用來(lái)得到熱阻曲線(xiàn)?；趩蚊}沖曲線(xiàn)，在瞬態(tài)熱加熱曲線(xiàn)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(xiàn)。

 

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?chē)諝饬鲃?dòng)、功率耗散的能力、PCB板和器件管腳焊接質(zhì)量、內部的封裝質(zhì)量等，因此，數據表中的熱阻曲線(xiàn)只是提供一種參考，如果需要更為精確的溫度，最好在系統上測量器件的實(shí)際的溫度。