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評估電路中功率MOSFET的結溫。本文主要來說明MOSFET的穩態和動態熱阻的測量方法,以及它們的限制條件。
熱阻特性也直接影響著後面對於功率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
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反並聯二極管相當於一個溫度傳感器,一定的溫度對應著一定的二極管的壓降。每一個硅器件都有自己獨特的校準曲線,但是一旦確定,對於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,不是隻靠器件本身單獨散熱來進行測試。
圖1:測試元件及PCB
熱電偶安裝在器件裸露的銅皮或管腳,然後將器件放在攪動的液體油中,器件熱平衡後,體二極管流過固定的電流,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。
圖2:測試結溫校核曲線
圖3:VF和結溫校核曲線,IF=10mA
2 穩態測量
將裝在標準PCB上的器件放在靜態的空氣中,器件上安裝熱電偶,器件通過一定的功率加熱器件時,當連接到管腳的熱電偶達到穩定狀態,測量環境空氣的溫度TA和器件封裝管腳的溫度TC或TL,同時立刻切斷加熱功率,在10us以內器件沒有冷卻時,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,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,就可以得到器件的結溫TJ,穩態熱阻結到環境空氣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和實際偏差只有幾個百分點,但是,通常使用20-30%的裕量來設定最大的定義值。
3 瞬態熱阻
瞬態熱阻用來測量脈衝功率加在器件上時器件的熱特性,對於小佔空比、低頻率的脈衝負載更為重要。AON6590的典型瞬態熱阻曲線如圖6所示。
圖6:規一化最大瞬態熱阻
瞬態熱阻測量的方法和穩態熱阻的測量方法相同,測量單脈衝曲線時,器件通過單脈衝功率,然後關斷單脈衝功率,10us內,將10mA電流流過二極管,測量二極管的壓降VF。按照X軸的脈衝功率寬度,測量每一個點的值。每一點的瞬態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的熱阻值。脈衝功率寬度非常低時,由於硅片、封裝和FR4板的熱容形成的時間常數影響結溫上升率,因此測量的結溫也非常小。對於同樣的功率大小,脈衝時間短,熱阻表現得越小,如圖6的曲線所示,其它的曲線也一樣用上述測量方法得到。
固定的佔空比,施加電流脈衝寬度跟隨瞬態熱阻曲線變化。在每一個測量條件下,在切斷加熱電流脈衝後10us內、二極管流過10mA電流測量二極管的電壓VF前,器件要求達到穩態。通常,可以從得到的熱網絡模型中,分解得出這些曲線,以符合單脈衝曲線。從等效電路的觀點,熱阻網絡可以等效為三級或四級的RC網絡,如圖7所示。每一級R和C的值,由相應的滿足測量的單脈衝曲線來決定,對於佔空比的變化是脈衝寬度的函數,這個模型可以用來得到熱阻曲線。基於單脈衝曲線,在瞬態熱加熱曲線組中,使用3或4階的RC網絡仿真,可以得到其它的曲線。
圖7:瞬態熱阻的模型
有效熱阻受許多因素影響,如銅皮的面積和佈局、鄰近器件的加熱、器件周圍空氣流動、功率耗散的能力、PCB板和器件管腳焊接質量、內部的封裝質量等,因此,數據表中的熱阻曲線只是提供一種參考,如果需要更為精確的溫度,最好在系統上測量器件的實際的溫度。
閱讀更多 小李半導體 的文章