解鎖 MOS 管：溫度估算不再燒腦

溫度是影響MOSFET壽命的關(guān)鍵要素之一，為防止過熱導(dǎo)致的MOS失效，使用前進(jìn)行簡單的溫度估算是必要的。

MOS管發(fā)熱的主要原因是其工作過程中產(chǎn)生的各種損耗，能量不會憑空消失，損失的能量最終會通過轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃勘幌牡簦瑩p耗越大發(fā)熱量也隨之越大。在MOSFET開啟的過程中隨著下降，逐漸升高，而電壓與電流存在交疊的區(qū)域，該區(qū)域?qū)a(chǎn)生損耗。當(dāng)MOSFET完全導(dǎo)通時，不等于0，這是由于MOSFET的漏源兩端存在導(dǎo)通電阻，因此產(chǎn)生壓降。該電阻與導(dǎo)通時流過的電流產(chǎn)生損耗。MOSFET關(guān)斷的過程與其開啟過程相似，所以MOSFET關(guān)斷過程也將產(chǎn)生損耗。除了MOSFET開關(guān)產(chǎn)生的損耗外，在三相交流電機控制系統(tǒng)中MOSFET續(xù)流二極管中也存在壓降損耗。因此MOSFET的主要損耗來源有以下五種：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、續(xù)流損耗、斷態(tài)損耗、驅(qū)動損耗。而對溫度影響比較大的主要為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，因此進(jìn)行簡單估算時暫且也先從這兩個損耗入手。

MOSFET損耗

導(dǎo)通損耗：

其中為MOS管漏極電流，為MOS管T漏源極導(dǎo)通電阻，D為占空比。

以下以華軒陽的HXY80N06D為例來進(jìn)行說明，下圖是其在管芯25℃和150℃下的漏極電流與漏源電壓的關(guān)系：

從圖中可以看出，當(dāng)比較小時，與的關(guān)系是非線性的；當(dāng)在10V時，與幾乎是線性關(guān)系，且溫度越高此線性關(guān)系越明顯。由此可以推算出在給定的驅(qū)動電壓下，管芯在特定溫度時MOS管的導(dǎo)通電阻大小。

同樣數(shù)據(jù)手冊中也有典型值與最大值可查。

而導(dǎo)通電阻不僅與柵源電壓有關(guān)，與MOS管溫度也相關(guān)，以下為導(dǎo)通電阻與管溫關(guān)系圖。根據(jù)下圖數(shù)據(jù)可以擬合得到不同管芯溫度對應(yīng)的導(dǎo)通電阻。

這個圖中縱軸并不是導(dǎo)通電阻 $$R_{DS(ON)}$$的值，而是一個系數(shù)。假定系數(shù)為k，隨著溫度上升，比如說到100℃時，此時k=1.5，那么在100℃時，。在計算導(dǎo)通損耗時，假定溫度條件后也需要乘以這個系數(shù)。

開關(guān)損耗：

如果MOSFET開關(guān)頻率很快，電壓電流變化波動較為劇烈，進(jìn)而產(chǎn)生較大損耗。相比于導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗較為嚴(yán)重。

開通過程、關(guān)斷過程及其中間過程均會產(chǎn)生損耗，但是這次不進(jìn)行詳解，為了簡化，有了以下方程：

其中，為MOS管關(guān)斷時漏極承受電壓；為MOS管導(dǎo)通電流；和為開通、關(guān)斷的時間，這個值可以在數(shù)據(jù)手冊中查找到；f為開關(guān)頻率。

開通關(guān)斷時間：

有了以上兩個損耗功率，我們可以粗略計算出總的損耗功率。接下來在回到數(shù)據(jù)手冊，我們還需要MOS管的熱阻。熱阻指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位是℃/W或者是K/W。半導(dǎo)體散熱的三個途徑，封裝頂部到空氣，封裝底部到電路板，封裝引腳到電路板。

其中為結(jié)到殼之間的熱阻，為外殼到散熱片的熱阻，為結(jié)在靜止空氣條件下對環(huán)境的熱阻,是半導(dǎo)體封裝最常見的熱參數(shù)。即功率每上升1W，對應(yīng)的溫升。

使用公式即可計算出MOS的結(jié)溫。假設(shè)最終計算值為30W，由上表可知。公式中為結(jié)溫，為環(huán)境溫度，假設(shè)為35℃。講這些參數(shù)帶入上式可得， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

數(shù)據(jù)手冊中結(jié)溫最高為175℃，則在計算后可知僅憑空氣散熱即可使蓋MOS管正常工作。