功率半導(dǎo)體電流額定值和熱設(shè)計(jì)

1、什么是電流額定值？

電氣設(shè)備（如斷路器，電機(jī)或變壓器）的電流額定值，是指在某個(gè)電流下，器件本身達(dá)到的溫度可能損害器件可靠性和功能時(shí)的電流值。制造商雖然知道器件材料的溫度限值，但是他并不知道使用器件時(shí)的環(huán)境溫度。因此，他只能假設(shè)環(huán)境溫度。這就帶來了兩種后果：

每個(gè)電流額定值都與環(huán)境溫度相關(guān)（環(huán)境，散熱器，殼）。不考慮環(huán)境溫度而討論電流額定值是無意義的。

電流額定值相關(guān)的溫度可能與實(shí)際工作條件有關(guān)，也可能無關(guān)。如果有關(guān)，電流額定值可用于指示實(shí)際應(yīng)用中器件的電流能力。如果器件的額定值是在典型工作環(huán)境（如25oC）不會(huì)遇到的溫度時(shí)得出的值，它就無法提供應(yīng)用中實(shí)際器件能力的信息。該值只能用來比較相似器件在相同溫度時(shí)的電流額定值。

電氣設(shè)備（如電機(jī)，斷路器）的電流額定值由各種協(xié)議和法規(guī)規(guī)定。其它器件，如變壓器，電阻和半導(dǎo)體的電流額定值都在數(shù)據(jù)手冊(cè)中進(jìn)行了定義。因此，用戶必須核實(shí)器件能否在以下條件運(yùn)行：

應(yīng)用中出現(xiàn)最大電流時(shí)

最大環(huán)境溫度時(shí)

未超出數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最高溫度時(shí)

為了核實(shí)這3個(gè)要素，用戶必須進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”。這可以是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，或者是通過復(fù)雜的有限元分析得出結(jié)論。

此時(shí)，精明的讀者會(huì)意識(shí)到當(dāng)他做熱設(shè)計(jì)時(shí)，就能找出實(shí)際應(yīng)用中器件的電流額定值，而不需要制造商所提供的電流額定值。制造商提供的各個(gè)電流額定值僅用于表明器件的能力，并縮小選擇范圍。

2、功率半導(dǎo)體電流額定值

熱設(shè)計(jì)對(duì)功率半導(dǎo)體非常重要，原因如下：

功率半導(dǎo)體的工作電流密度極大，且結(jié)溫和環(huán)境溫度相差極大

功率半導(dǎo)體的熱質(zhì)量極小，且會(huì)在幾毫秒之內(nèi)進(jìn)入熱失控

因此，功率半導(dǎo)體必須進(jìn)行散熱處理，且設(shè)計(jì)者須負(fù)責(zé)選擇散熱器或其它冷卻方法，即進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”。

3、不間斷電流額定值

典型的功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊(cè)包含了一個(gè)或多個(gè)“不間斷電流額定值”，通常由曲線圖補(bǔ)充，如圖1所示。這是基于以下假設(shè)：

功率半導(dǎo)體正在導(dǎo)通固定量的電流（無開關(guān)損耗）

在結(jié)里產(chǎn)生的熱量流入到無限散熱器

熱源和殼的溫度是恒定不變的。熱源（結(jié)）的溫度為最大值

圖 1.在器件封裝所允許的限值范圍內(nèi)時(shí)，不間斷電流額定值與殼溫之間的函數(shù)關(guān)系(IRLS3036PBF)

在以上假設(shè)下，計(jì)算熱值的方程式可簡(jiǎn)化為：

由于器件制造商事先不知道使用器件時(shí)的熱環(huán)境，因此他將管殼溫度用作參考點(diǎn)得出了電流額定值。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，需考慮整個(gè)熱系統(tǒng)，因此以上簡(jiǎn)化方程式轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

其中：

TJ= 結(jié)溫

TA= 環(huán)境溫度

RthJ-C= 結(jié)到殼熱阻抗

RthC-S = 殼到散熱器熱阻抗

RthS-A= 散熱器到環(huán)境熱阻抗

PAV= 平均功率耗散

通常，可利用以上公式計(jì)算出半導(dǎo)體的不間斷電流額定值。MOSFET有一個(gè)獨(dú)特的特性：電流和功率耗散呈平方關(guān)系。因此，通過下列公式就可計(jì)算出電流額定值：

其中RDS(on)是在額定TJmax時(shí)的導(dǎo)通電阻。RthJC 是內(nèi)部結(jié)到殼熱阻抗最大值，Tc是管殼溫度。其它功率器件的電流和功率耗散是非線性的關(guān)系，因此必須通過迭代過程確定其電流額定值。

在大多數(shù)應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體的管殼溫度高于80oC。因此，功率器件的可用不間斷直流電流適用于80°和110°C之間的任意管殼溫度。這樣，管殼溫度和環(huán)境溫度之間有了足夠的差距，散熱器就能處理熱傳遞。25°C電流額定值是第一代雙極晶體管JEDEC遺留下來的標(biāo)準(zhǔn)值。

低壓MOSFET技術(shù)的進(jìn)步降低了傳導(dǎo)損耗，使得封裝成為不間斷電流額定值的限制因素。圖1描述了這一點(diǎn)。

4、開關(guān)模式操作中的電流能力

前述討論的不間斷電流額定值只作為一個(gè)比較基準(zhǔn)，給設(shè)計(jì)者帶來的直接用途很有限，原因如下：

功率晶體管一般運(yùn)行在開關(guān)模式，其占空比大大低于100％。設(shè)計(jì)者真正感興趣的是在實(shí)際“開關(guān)”操作情況下的載流能力

在開關(guān)模式下操作時(shí)，功率晶體管產(chǎn)生開關(guān)損耗。必須通過計(jì)算得出這些開關(guān)損耗，并將其添加到傳導(dǎo)損耗

開關(guān)模式下功率器件的選擇取決于浪涌要求，而非不間斷電流額定值和載流能力

只要第三節(jié)描述的第2種情況和第3種情況有效，我們就可以使用基本的熱值方程式計(jì)算出結(jié)溫。此時(shí)假定我們已知系統(tǒng)的功率耗散和熱阻抗。

通常將功率耗散分成2部分：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。功率MOSFET里的傳導(dǎo)損耗計(jì)算方法為Irms2 x RDS(on)。不同波形的RMS內(nèi)容可在附錄中找到。開關(guān)損耗可通過開關(guān)波形，柵極電荷或分析方法計(jì)算出。IGBT的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗計(jì)算方法更為復(fù)雜。

第3節(jié)基本方程式中的功率指“平均”功率，且只要操作頻率相對(duì)于系統(tǒng)熱慣量高，結(jié)果就有效。隨著操作頻率上升，結(jié)的熱質(zhì)量消除瞬時(shí)溫度波動(dòng)，且結(jié)更多地對(duì)平均功率損耗做出響應(yīng)，而不是峰值功率損耗。頻率高于幾千赫茲，且占空比大于20％時(shí)，逐周期溫度波動(dòng)縮小，且峰值結(jié)溫上升等于平均功率耗散乘以DC結(jié)至殼熱阻抗，誤差在一個(gè)或兩個(gè)百分點(diǎn)內(nèi)。

當(dāng)操作頻率很低時(shí)（幾十赫茲)，必須計(jì)算溫度紋波。下面將要討論的瞬態(tài)熱阻抗曲線描述了在低頻操作時(shí)如何計(jì)算溫度紋波。

5、脈沖條件下的結(jié)溫

在脈沖條件下，第3節(jié)描述的3個(gè)假設(shè)不再有效：

器件在穩(wěn)態(tài)模式下不再導(dǎo)通電流

結(jié)里產(chǎn)生的熱量一部分到系統(tǒng)熱質(zhì)量，一部分到環(huán)境

熱系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)處的溫度在浪涌期間上升。

計(jì)算結(jié)溫的正確方法需考慮熱流的三維性質(zhì)，如圖2所示。通常通過有限元分析完成它。由于導(dǎo)通電阻和溫度成函數(shù)關(guān)系，功率耗散會(huì)隨著時(shí)間增加，且在分析中必須考慮采用合理的功率半導(dǎo)體電氣模型。

圖 2.由于熱量流向三個(gè)維度，因此“結(jié)溫”只是一個(gè)粗略估算值。結(jié)和熱系統(tǒng)剩余部分的不同點(diǎn)溫度不同。

在很多應(yīng)用中，結(jié)溫估算值就已足夠。此時(shí)，有兩種方法可以得出該估算值，具體如下：

瞬態(tài)熱阻抗

瞬態(tài)熱阻抗（或者更準(zhǔn)確地說，叫熱響應(yīng)曲線）如圖3所示，且在所有的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以查看。

圖3. 瞬態(tài)熱阻抗曲線。請(qǐng)注意這是SPICE仿真的熱參數(shù)(IRLS3036PBF)。

該曲線提供了給定時(shí)段內(nèi)（x軸）浪涌的熱反應(yīng)系數(shù)（y軸）。如上圖所示，熱反應(yīng)系數(shù)（或熱阻抗）與導(dǎo)通時(shí)間t內(nèi)的功率耗散（即導(dǎo)通脈沖內(nèi)的功率，而非整個(gè)周期內(nèi)的平均功率）相乘得出重復(fù)性結(jié)到殼溫峰值的上升值。功率耗散則可通過浪涌期間器件兩端的電壓和電流計(jì)算出。

請(qǐng)注意對(duì)于長(zhǎng)脈沖（在圖3中約10ms），熱反應(yīng)與熱阻抗相等。

在有些數(shù)據(jù)手冊(cè)中，熱反應(yīng)系數(shù)歸一化為1。這意味著該系數(shù)需進(jìn)一步與數(shù)據(jù)手冊(cè)里的熱阻抗相乘。

瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線假定恒定的管殼溫度。這通常對(duì)短于1到5ms的脈沖有效，具體脈沖長(zhǎng)度取決于封裝的熱質(zhì)量。對(duì)于更長(zhǎng)的浪涌脈沖，殼溫開始上升，結(jié)果就不是那么準(zhǔn)確了。在空氣中或PQFN封裝下操作，殼溫最多上升1毫秒，該曲線不提供有用的信息。在這些情況下，必須采用有限元分析模擬整個(gè)熱系統(tǒng)。

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用（短脈沖和顯著熱質(zhì)量），如第3節(jié)描述，由于TC主要取決于平均功率耗散，因此它是可計(jì)算的。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，將溫度紋波疊加到平均管殼溫度，得到峰值結(jié)溫絕對(duì)值。

當(dāng)結(jié)溫里的紋波很明顯時(shí)，瞬態(tài)熱阻抗曲線可用于計(jì)算重復(fù)率極低的功率脈沖的峰值溫度。合理的熱響應(yīng)發(fā)生在x軸上的脈沖寬度與適當(dāng)占空比曲線交叉處。如上所述，熱響應(yīng)系數(shù)必須與脈沖期間的功率耗散相乘，然后再疊加到管殼溫度。

附錄 確定波形ID的均方根值（RMS)

MOSFET傳導(dǎo)損耗與RMS漏電流的平方成比例。電流波形很少是簡(jiǎn)單的正弦曲線或矩形，這可能在計(jì)算IRMS的值時(shí)產(chǎn)生一些問題。對(duì)于那些可被分割成若干段，且能分段計(jì)算出其RMS值的波形，可通過下列等式和步驟確定它們的IRMS。

通過下列公式可計(jì)算出任意波形的RMS值

下圖顯示了多個(gè)簡(jiǎn)單的波形，以及代入上面的等式可計(jì)算出IRMS的公式。

如果將下面各個(gè)圖中的波形進(jìn)行組合可以得出大致令人滿意的實(shí)際波形，則可通過下列公式計(jì)算出波形的RMS值：

兩個(gè)波形不同時(shí)等于0時(shí)，以上內(nèi)容成立。

文章來源： 英飛凌汽車電子生態(tài)圈

審核編輯 黃宇