許多操作參數(shù)和功率MOSFET結溫的影響設備壽命。估計設備接點溫度在一個電路,或比較場效應管目標應用程序,提供了一些基本的熱阻數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)表。在本文中,我們描述如何做以及如何測量熱阻限制設置。我們認為短暫的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)MOSFET的熱阻。
測量法
為了表征功率MOSFET的熱阻，我們首先獲得了體二極管前降VF在固定測試電流(IM=10mA)下作為結溫函數(shù)的校準曲線。設備首先安裝到標準夾具上，例如，表面安裝設備安裝在1平方英寸的FR4板上。然后將設備置于攪拌液體槽中以達到熱平衡，并在外殼/引線上安裝熱電偶。VF與溫度T的典型關系圖如圖1所示。
圖1:一個典型MOSFET的VF(10mA)隨溫度的變化
穩(wěn)態(tài)熱阻是通過將設備加熱到已知功率來測量的。該設備放置在一個靜止的空氣環(huán)境中，一個熱電偶用于測量環(huán)境溫度，另一個熱電偶用于測量封裝引線處的溫度。兩根導線用于迫使電流進入二極管，另外兩根導線用于感應正向降VF。中頻*VF積是功率損耗。當連接到導線上的熱電偶達到穩(wěn)態(tài)后，切斷電源，以10us內(nèi)的校準電流(IM=10mA)測量VF，待部件明顯冷卻。圖2顯示了這個度量背后的概念。
圖2:顯示如何測量熱阻抗的電路。
從測量的VF(10mA)中，用校準曲線確定結溫TJ。利用熱電偶獲得鉛熱釋光和環(huán)境溫度。穩(wěn)態(tài)熱阻簡單為:
Pwr = IF*VF RθJA = (TJ-TA)/Pwr {Junction-to-Ambient} RθJL= (TJ-TL)/Pwr {Junction-to-Lead}
這給RθJA和RθJL的典型值。20-30%的差額用于設置最大規(guī)格，盡管設備通常分布在幾個百分點的典型。
瞬態(tài)熱阻抗
瞬態(tài)熱阻抗是測量設備在脈沖功率作用下的行為的一種方法。這對于確定低占空比、低頻脈沖載荷的行為很重要。來自數(shù)據(jù)表的典型瞬態(tài)熱阻抗曲線如圖3所示。
測試設置與穩(wěn)態(tài)熱阻相同。得到單脈沖曲線，并對器件施加單脈沖功率，用脈沖末端的10us測量VF(10mA)。例如，應用20us脈沖，然后在脈沖結束后10us內(nèi)以10mA讀取VF。這是重復的整個范圍內(nèi)的脈沖寬度顯示在x軸上。各點的熱阻抗值為:
Pwr = IF*VF ZθJA= (TJ-TA)/Pwr {Junction-to-Ambient} ZθJL = (TJ-TL)/Pwr {Junction-to-Lead}
如人們所料，對于較低的脈沖寬度值，結溫較小由于模具、包裝和FR4固定板的熱容量不同結溫可以上升的速率的時間常數(shù)。因此，同樣地功率級，在短時間內(nèi)，熱阻抗似乎較小。這個結果在圖3所示的曲線中。這解釋了為什么安全操作區(qū)soa對于短脈沖寬度來說要大得多。
不同的占空比曲線可以用類似的方法來完成。在固定占空比的情況下，通過改變施加電流的脈沖寬度來跟蹤瞬態(tài)熱曲線。在切斷加熱電流脈沖10us內(nèi)測量VF(10mA)之前，允許設備在每種情況下達到穩(wěn)定狀態(tài)。
然而，我們也可以從熱網(wǎng)絡模型中提取這些曲線擬合單脈沖曲線。從等效電路的角度來看，網(wǎng)絡可以有效地建模為三階或四階rc網(wǎng)絡，如下圖4。每個階段的r和c值通過曲線擬合測量的單脈沖曲線。然后用這個模型導出熱阻抗作為脈沖寬度函數(shù)的各種占空比曲線。（電氣，溫度為相當于電壓和功率對電流）。
圖4:功率MOSFET的瞬態(tài)熱阻抗模型
結論
這就結束了我們對熱阻抗特性的簡要介紹。請注意，對于表面貼裝設備，有效熱阻受很多因素的影響，包括銅的面積和布局、相鄰設備的發(fā)熱、PCB上相鄰設備的熱質(zhì)量、設備周圍的空氣流動、功率耗散水平、板與設備引線/導片之間的焊點質(zhì)量。如果在設計中需要準確地估計溫升，最好是在應用電路中直接表征熱阻。
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