【導讀】電氣設備（如斷路器，電機或變壓器）的電流額定值，是指在某個(gè)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(shí)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(shí)的環(huán)境溫度。因此，他只能假設環(huán)境溫度。
1、什么是電流額定值？
電氣設備（如斷路器，電機或變壓器）的電流額定值，是指在某個(gè)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(shí)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(shí)的環(huán)境溫度。因此，他只能假設環(huán)境溫度。這就帶來(lái)了兩種后果：
? 每個(gè)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(wú)意義的。
? 用來(lái)定義電流額定值的溫度可能與實(shí)際工作條件有關(guān)，也可能無(wú)關(guān)。如果有關(guān)，電流額定值可用于指示實(shí)際應用中器件的電流能力。如果器件的額定值是在典型工況時(shí)不會(huì )遇到溫度下定義的，它就無(wú)法提供應用中實(shí)際器件能力的信息。該值只能用來(lái)比較相似器件在相同溫度時(shí)的電流額定值。
電氣設備（如電機，斷路器）的電流額定值由各種協(xié)議和法規規定。其它器件，如變壓器，電阻和半導體的電流額定值都在數據手冊中進(jìn)行了定義。因此，用戶(hù)必須核實(shí)器件能否在以下條件運行：
? 應用中出現最大電流時(shí)
? 最大環(huán)境溫度時(shí)
? 未超出數據手冊中規定的最高結溫
為了核實(shí)這3個(gè)要素，用戶(hù)必須進(jìn)行“熱設計”。這可以是一項簡(jiǎn)單的工作，或者是通過(guò)復雜的有限元分析得出結論。
此時(shí)，精明的讀者會(huì )意識到當他做熱設計時(shí)，就能找出實(shí)際應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(gè)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，且結溫和環(huán)境溫度相差極大
功率MOSFET的熱質(zhì)量極小，且會(huì )在幾毫秒之內進(jìn)入熱失控
因此，功率MOSFET必須進(jìn)行散熱處理，且設計者須負責選擇散熱器或其它冷卻方法，即進(jìn)行“熱設計”。
3、連續直流電流額定值
典型的功率MOSFET數據手冊包含了一個(gè)或多個(gè)“連續直流電流額定值”，通常由曲線(xiàn)圖補充，如圖1所示。這是基于以下假設：
? 功率MOSFET正在導通固定量的電流（無(wú)開(kāi)關(guān)損耗）
? 在結里產(chǎn)生的熱量流入到無(wú)限散熱器
? 熱源和殼的溫度是恒定不變的。熱源（結）的溫度為最大值
圖 1.在器件封裝所允許的限值范圍內時(shí)，連續直流電流額定值與殼溫之間的函數關(guān)系(IRLS3036PBF)
在以上假設下，計算熱值的方程式可簡(jiǎn)化為：
?TJC = Pd x RthJ-C
由于器件制造商事先不知道使用器件時(shí)的熱環(huán)境，因此他將管殼溫度用作參考點(diǎn)得出了電流額定值。
然而，在實(shí)際應用中，需考慮整個(gè)熱系統，因此以上簡(jiǎn)化方程式轉變?yōu)椋?/p>
TJ = TA + (RthJ-C + RthC-S + RthS-A) PAV
其中：
TJ= 結溫
TA= 環(huán)境溫度
RthJ-C= 結到殼熱阻抗
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體的連續直流電流額定值。MOSFET有一個(gè)獨特的特性：電流和功率耗散呈平方關(guān)系。因此，通過(guò)下列公式就可計算出電流額定值：
其中RDS(on)是在額定TJmax時(shí)的導通電阻。RthJC 是內部結到殼熱阻抗最大值，Tc是管殼溫度。其它功率器件的電流和功率耗散是非線(xiàn)性的關(guān)系，因此必須通過(guò)迭代過(guò)程確定其電流額定值。
在大多數應用中，功率MOSFET的管殼溫度高于80oC。因此，功率器件的可用連續直流電流適用于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(lái)的標準值。
低壓MOSFET技術(shù)的進(jìn)步降低了傳導損耗，使得封裝成為連續直流電流額定值的限制因素。圖1描述了這一點(diǎn)。
4、開(kāi)關(guān)模式操作中的電流能力
前述討論的連續直流電流額定值只作為一個(gè)比較基準，給設計者帶來(lái)的直接用途很有限，原因如下：
? 功率晶體管一般運行在開(kāi)關(guān)模式，其占空比大大低于100％。設計者真正感興趣的是在實(shí)際“開(kāi)關(guān)”操作情況下的載流能力
? 在開(kāi)關(guān)模式下操作時(shí)，功率晶體管產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。必須通過(guò)計算得出這些開(kāi)關(guān)損耗，并將其添加到傳導損耗
? 開(kāi)關(guān)模式下功率器件的選擇取決于浪涌要求，而非連續直流電流額定值和載流能力
只要第三節描述的第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溫。此時(shí)假定我們已知系統的功率耗散和熱阻抗。
通常將功率耗散分成2部分：傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。功率MOSFET里的傳導損耗計算方法為Irms2x RDS(on)。不同波形的RMS內容可在附錄中找到。開(kāi)關(guān)損耗可通過(guò)開(kāi)關(guān)波形，柵極電荷或分析方法計算出。IGBT的傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗計算方法更為復雜。
第3節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熱慣量高，結果就有效。隨著(zhù)操作頻率上升，結的熱質(zhì)量消除瞬時(shí)溫度波動(dòng)，且結更多地對平均功率損耗做出響應，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(shí)，逐周期溫度波動(dòng)縮小，且峰值結溫上升等于平均功率耗散乘以DC結至殼熱阻抗，誤差在一個(gè)或兩個(gè)百分點(diǎn)內。
當操作頻率很低時(shí)（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(xiàn)描述了在低頻操作時(shí)如何計算溫度紋波。
5、脈沖條件下的結溫
在脈沖條件下，第3節描述的3個(gè)假設不再有效：
? 器件在穩態(tài)模式下不再導通電流
? 結里產(chǎn)生的熱量一部分到系統熱質(zhì)量，一部分到環(huán)境
? 熱系統的各個(gè)點(diǎn)處的溫度在浪涌期間上升。
計算結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(guò)有限元分析完成它。由于導通電阻和溫度成函數關(guān)系，功率耗散會(huì )隨著(zhù)時(shí)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(gè)維度，因此“結溫”只是一個(gè)粗略估算值。結和熱系統剩余部分的不同點(diǎn)溫度不同。
在很多應用中，結溫估算值就已足夠。此時(shí)，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(shuō)，叫熱響應曲線(xiàn)）如圖3所示，且在所有的數據手冊中可以查看。
圖3. 瞬態(tài)熱阻抗曲線(xiàn)。請注意這是SPICE仿真的熱參數(IRLS3036PBF)。
該曲線(xiàn)提供了給定時(shí)段內（x軸）浪涌的熱響應系數（y軸）。如上圖所示，熱響應系數（或熱阻抗）與導通時(shí)間t內的功率耗散（即導通脈沖內的功率，而非整個(gè)周期內的平均功率）相乘得出重復性結到殼溫峰值的上升值。功率耗散則可通過(guò)浪涌期間器件兩端的電壓和電流計算出。
請注意對于長(cháng)脈沖（在圖3中約10ms），熱響應阻抗相等。
在有些數據手冊中，熱響應系數歸一化為1。這意味著(zhù)該系數需進(jìn)一步與數據手冊里的熱阻抗相乘。
瞬態(tài)熱響應曲線(xiàn)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(cháng)度取決于封裝的熱質(zhì)量。對于更長(cháng)的浪涌脈沖，殼溫開(kāi)始上升，結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(xiàn)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(gè)熱系統。
對于大多數應用（短脈沖和顯著(zhù)熱質(zhì)量），如第3節描述，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，得到峰值結溫絕對值。
當結溫里的紋波很明顯時(shí)，瞬態(tài)熱阻抗曲線(xiàn)可用于計算重復率極低的功率脈沖的峰值溫度。合理的熱響應發(fā)生在x軸上的脈沖寬度與適當占空比曲線(xiàn)交叉處。如上所述，熱響應系數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傳導損耗與RMS漏電流的平方成比例。電流波形很少是簡(jiǎn)單的正弦曲線(xiàn)或矩形，這可能在計算IRMS的值時(shí)產(chǎn)生一些問(wèn)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(guò)下列等式和步驟確定它們的IRMS。
通過(guò)下列公式可計算出任意波形的RMS值
下圖顯示了多個(gè)簡(jiǎn)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(gè)圖中的波形進(jìn)行組合可以得出大致令人滿(mǎn)意的實(shí)際波形，則可通過(guò)下列公式計算出波形的RMS值：
兩個(gè)波形不同時(shí)等于0時(shí)，以上內容成立。
（來(lái)源：英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈）
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