許多操作參數(shù)和功率MOSFET結(jié)溫的影響設(shè)備壽命。估計(jì)設(shè)備接點(diǎn)溫度在一個(gè)電路,或比較場(chǎng)效應(yīng)管目標(biāo)應(yīng)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(cè)量熱阻限制設(shè)置。我們認(rèn)為短暫的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)MOSFET的熱阻。
測(cè)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(cè)試電流(IM=10mA)下作為結(jié)溫函數(shù)的校準(zhǔn)曲線。設(shè)備首先安裝到標(biāo)準(zhǔn)夾具上，例如，表面安裝設(shè)備安裝在1平方英寸的FR4板上。然后將設(shè)備置于攪拌液體槽中以達(dá)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(guān)系圖如圖1所示。
圖1:一個(gè)典型MOSFET的VF(10mA)隨溫度的變化
穩(wěn)態(tài)熱阻是通過將設(shè)備加熱到已知功率來測(cè)量的。該設(shè)備放置在一個(gè)靜止的空氣環(huán)境中，一個(gè)熱電偶用于測(cè)量環(huán)境溫度，另一個(gè)熱電偶用于測(cè)量封裝引線處的溫度。兩根導(dǎo)線用于迫使電流進(jìn)入二極管，另外兩根導(dǎo)線用于感應(yīng)正向降VF。中頻*VF積是功率損耗。當(dāng)連接到導(dǎo)線上的熱電偶達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，切斷電源，以10us內(nèi)的校準(zhǔn)電流(IM=10mA)測(cè)量VF，待部件明顯冷卻。圖2顯示了這個(gè)度量背后的概念。
圖2:顯示如何測(cè)量熱阻抗的電路。
從測(cè)量的VF(10mA)中，用校準(zhǔn)曲線確定結(jié)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(jiǎn)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(shè)置最大規(guī)格，盡管設(shè)備通常分布在幾個(gè)百分點(diǎn)的典型。
瞬態(tài)熱阻抗
瞬態(tài)熱阻抗是測(cè)量設(shè)備在脈沖功率作用下的行為的一種方法。這對(duì)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(cè)試設(shè)置與穩(wěn)態(tài)熱阻相同。得到單脈沖曲線，并對(duì)器件施加單脈沖功率，用脈沖末端的10us測(cè)量VF(10mA)。例如，應(yīng)用20us脈沖，然后在脈沖結(jié)束后10us內(nèi)以10mA讀取VF。這是重復(fù)的整個(gè)范圍內(nèi)的脈沖寬度顯示在x軸上。各點(diǎn)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(duì)于較低的脈沖寬度值，結(jié)溫較小由于模具、包裝和FR4固定板的熱容量不同結(jié)溫可以上升的速率的時(shí)間常數(shù)。因此，同樣地功率級(jí)，在短時(shí)間內(nèi)，熱阻抗似乎較小。這個(gè)結(jié)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(duì)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(cè)量VF(10mA)之前，允許設(shè)備在每種情況下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
然而，我們也可以從熱網(wǎng)絡(luò)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(luò)可以有效地建模為三階或四階rc網(wǎng)絡(luò)，如下圖4。每個(gè)階段的r和c值通過曲線擬合測(cè)量的單脈沖曲線。然后用這個(gè)模型導(dǎo)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(dāng)于電壓和功率對(duì)電流）。
圖4:功率MOSFET的瞬態(tài)熱阻抗模型
結(jié)論
這就結(jié)束了我們對(duì)熱阻抗特性的簡(jiǎn)要介紹。請(qǐng)注意，對(duì)于表面貼裝設(shè)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(shè)備的發(fā)熱、PCB上相鄰設(shè)備的熱質(zhì)量、設(shè)備周圍的空氣流動(dòng)、功率耗散水平、板與設(shè)備引線/導(dǎo)片之間的焊點(diǎn)質(zhì)量。如果在設(shè)計(jì)中需要準(zhǔn)確地估計(jì)溫升，最好是在應(yīng)用電路中直接表征熱阻。
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