功率MOSFET的結(jié)溫影響器件許多工作參數(shù)及使用壽命，數(shù)據(jù)表中提供了一些基本的數(shù)據(jù)來評(píng)估電路中功率MOSFET的結(jié)溫。本文主要來說明MOSFET的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)熱阻的測(cè)量方法，以及它們的限制條件。熱阻特性也直接影響著后面對(duì)于功率MOSFET電流參數(shù)和SOA特性的理解。

 

AON6590(40V，0.99mΩ)熱阻

 

 

 

1 結(jié)溫校核曲線

 

數(shù)據(jù)表中，功率MOSFET有不同的熱阻值，數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測(cè)試的。MOSFET反并聯(lián)二極管相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對(duì)應(yīng)著一定的二極管的壓降。每一個(gè)硅器件都有自己獨(dú)特的校準(zhǔn)曲線，但是一旦確定，對(duì)于任何的封裝都是有效的。

 

器件的安裝有標(biāo)準(zhǔn)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(dú)散熱來進(jìn)行測(cè)試。

 

圖1：測(cè)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，體二極管流過固定的電流，電流大小為10mA，測(cè)量體二極管正向壓降VF，熱電偶對(duì)應(yīng)的器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)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(jié)溫變化的校核曲線。

 

圖2：測(cè)試結(jié)溫校核曲線

 

 

 

圖3：VF和結(jié)溫校核曲線，IF=10mA

 

2. 穩(wěn)態(tài)測(cè)量

 

將裝在標(biāo)準(zhǔn)PCB上的器件放在靜態(tài)的空氣中，器件上安裝熱電偶，器件通過一定的功率加熱器件時(shí)，當(dāng)連接到管腳的熱電偶達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)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以內(nèi)器件沒有冷卻時(shí)，二極管電流切改為10mA，迅速測(cè)量二管極的壓降VF，如圖4所示。測(cè)量二極管的壓降時(shí)，使用KELVIN連接法。

 

圖4：熱阻的測(cè)量電路

 

 

圖5：測(cè)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(jù)在10mA測(cè)得的二極管的壓降VF，對(duì)應(yīng)圖1的校核曲線，就可以得到器件的結(jié)溫TJ，穩(wěn)態(tài)熱阻結(jié)到環(huán)境空氣RqJA、結(jié)到殼RqJC或結(jié)到管腳RqJL，可以從下面公式計(jì)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%的裕量來設(shè)定最大的定義值。

 

3 瞬態(tài)熱阻

 

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

 

 

圖6：規(guī)一化最大瞬態(tài)熱阻

 

瞬態(tài)熱阻測(cè)量的方法和穩(wěn)態(tài)熱阻的測(cè)量方法相同，測(cè)量單脈沖曲線時(shí)，器件通過單脈沖功率，然后關(guān)斷單脈沖功率，10us內(nèi)，將10mA電流流過二極管，測(cè)量二極管的壓降VF。按照X軸的脈沖功率寬度，測(cè)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(jì)算：

 

PF = IF*VF

 

ZqJA = (TJ-TA)/PF

 

ZqJC = (TJ-TC)/PF

 

ZqJL = (TJ-TL)/PF

 

規(guī)一化值就是將上述值除以對(duì)應(yīng)的穩(wěn)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(shù)影響結(jié)溫上升率，因此測(cè)量的結(jié)溫也非常小。對(duì)于同樣的功率大小，脈沖時(shí)間短，熱阻表現(xiàn)得越小，如圖6的曲線所示，其它的曲線也一樣用上述測(cè)量方法得到。

 

固定的占空比，施加電流脈沖寬度跟隨瞬態(tài)熱阻曲線變化。在每一個(gè)測(cè)量條件下，在切斷加熱電流脈沖后10us內(nèi)、二極管流過10mA電流測(cè)量二極管的電壓VF前，器件要求達(dá)到穩(wěn)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，以符合單脈沖曲線。從等效電路的觀點(diǎn)，熱阻網(wǎng)絡(luò)可以等效為三級(jí)或四級(jí)的RC網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。每一級(jí)R和C的值，由相應(yīng)的滿足測(cè)量的單脈沖曲線來決定，對(duì)于占空比的變化是脈沖寬度的函數(shù)，這個(gè)模型可以用來得到熱阻曲線。基于單脈沖曲線，在瞬態(tài)熱加熱曲線組中，使用3或4階的RC網(wǎng)絡(luò)仿真，可以得到其它的曲線。

 

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、器件周圍空氣流動(dòng)、功率耗散的能力、PCB板和器件管腳焊接質(zhì)量、內(nèi)部的封裝質(zhì)量等，因此，數(shù)據(jù)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(tǒng)上測(cè)量器件的實(shí)際的溫度。