【導(dǎo)讀】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)和動態(tài)熱阻的測量方法,以及它們的限制條件。
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后面對于功率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試的。MOSFET反并聯(lián)二極管相當(dāng)于一個溫度傳感器,一定的溫度對應(yīng)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(zhǔn)曲線,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(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散熱來進(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,測量體二極管正向壓降VF,熱電偶對應(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,當(dāng)連接到管腳的熱電偶達(dá)到穩(wěn)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,同時立刻切斷加熱功率,在10us以內(nèi)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(jù)在10mA測得的二極管的壓降VF,對應(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(shè)定最大的定義值。
3 瞬態(tài)熱阻
瞬態(tài)熱阻用來測量脈沖功率加在器件上時器件的熱特性,對于小占空比、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)熱阻測量的方法和穩(wěn)態(tài)熱阻的測量方法相同,測量單脈沖曲線時,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,測量二極管的壓降VF。按照X軸的脈沖功率寬度,測量每一個點的值。每一點的瞬態(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(guī)一化值就是將上述值除以對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)的熱阻值。脈沖功率寬度非常低時,由于硅片、封裝和FR4板的熱容形成的時間常數(shù)影響結(jié)溫上升率,因此測量的結(jié)溫也非常小。對于同樣的功率大小,脈沖時間短,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。在每一個測量條件下,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,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(yīng)的滿足測量的單脈沖曲線來決定,對于占空比的變化是脈沖寬度的函數(shù),這個模型可以用來得到熱阻曲線?;趩蚊}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、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)上測量器件的實際的溫度。
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