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(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反并聯二極管相當于一個溫度傳感器，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，對于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，不是只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(huán)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(wěn)態(tài)測量

 

將裝在標準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，當連接到管腳的熱電偶達到穩(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(wěn)態(tài)熱阻結到環(huán)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(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，然后關斷單脈沖功率，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影響結溫上升率，因此測量的結溫也非常小。對于同樣的功率大小，脈沖時間短，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、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(wěn)態(tài)。通常，可以從得到的熱網絡模型中，分解得出這些曲線，以符合單脈沖曲線。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沖曲線來決定，對于占空比的變化是脈沖寬度的函數，這個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網絡仿真，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。