对功率半导体电流额外值和热设想分享-KIA MOS管

1、甚么是电流额外值？

电气装备（如断路器，机电或变压器）的电流额外值，是指在某个电流下，器件自身到达的温度能够侵害器件靠得住性和功效时的电流值。制作商固然晓得器件资料的温度限值，可是并不晓得操纵器件时的环境温度。是以，只能假设环境温度。

这就带来了两种效果：

每一个电流额外值都与环境温度相干（环境，散热器，壳）。不斟酌环境温度而会商电流额外值是有意义的。

电流额外值相干的温度能够与现实任务前提有关，也能够有关。若是有关，电流额外值可用于唆使现实操纵中器件的电流才能。若是器件的额外值是在典范任务环境（如25oC）不会碰到的温度时得出的值，它就没法供给操纵中现实器件才能的信息。该值只能用来比拟类似器件在不异温度时的电流额外值。

电气装备（如机电，断路器）的电流额外值由各类和谈和律例划定。别的器件，如变压器，电阻和半导体的电流额外值都在数据手册中停止了界说。是以，用户必须核实器件可否在以下前提运转：

操纵中呈现最大电流时

最大环境温度时

未超越数据手册中划定的最高温度时

为了核实这3个身分，用户必须停止“热设想”。

这能够是一项简略的任务，或是经由进程庞杂的无穷元阐发得出论断。

此时，夺目的读者会心识到当他做热设想时，便能够找呈现实操纵中器件的电流额外值，而不须要制作商所供给的电流额外值。制作商供给的各个电流额外值仅用于标明器件的才能，并减少挑选规模。

2、功率半导体电流额外值

热设想对功率半导体很是首要，缘由以下：

功率半导体的任务电流密度极大，且结暖和环境温度相差极大

功率半导体的热品质极小，且会在几毫秒以内进入热失控

是以，功率半导体必须停止散热处置，且设想者须担任挑选散热器或别的冷却体例，即停止“热设想”。

3、不中断电流额外值

典范的功率半导体数据手册包罗了一个或多个“不中断电流额外值”，凡是由曲线图补充，如图1所示。这是基于以下假设：

功率半导体正在导通牢固量的电流（无开关消耗）

在结里产生的热量流入到无穷散热器

热源和壳的温度是恒定稳定的。热源（结）的温度为最大值

图 1.在器件封装所许可的限值规模内时，不中断电流额外值与壳温之间的函数干系(IRLS3036PBF)

在以上假设下，计较热值的方程式可简化为：

因为器件制作商事前不晓得操纵器件时的热环境，是以他将管壳温度用作参考点得出了电流额外值。

但是，在现实操纵中，需斟酌全部热体系，是以以上简化方程式改变为：

此中：

TJ= 结温

TA= 环境温度

RthJ-C= 结到壳热阻抗

RthC-S = 壳到散热器热阻抗

RthS-A= 散热器到环境热阻抗

PAV= 均匀功率耗散

凡是，可操纵以上公式计较出半导体的不中断电流额外值。MOSFET有一个怪异的特征：电流和功率耗散呈平方干系。是以，经由进程以下公式便可计较出电流额外值：

此中RDS(on)是在额外TJmax时的导通电阻。RthJC 是外部结到壳热阻抗最大值，Tc是管壳温度。别的功率器件的电流和功率耗散长短线性的干系，是以必须经由进程迭代进程肯定其电流额外值。

在大大都操纵中，功率半导体的管壳温度高于80oC。是以，功率器件的可用不中断直流电流合用于80°和110°C之间的肆意管壳温度。如许，管壳温度和环境温度之间有了充足的差异，散热器便能够处置热通报。25°C电流额外值是第一代双极晶体管JEDEC遗留上去的规范值。

高压MOSFET手艺的前进下降了传导消耗，使得封装成为不中断电流额外值的限定身分。图1描写了这一点。

4、开关形式操纵中的电流才能

前述会商的不中断电流额外值只作为一个比拟基准，给设想者带来的间接用处很无穷，缘由以下：

功率晶体管普通运转在开关形式，其占空比大大低于100％。设想者真正感乐趣的是在现实“开关”操纵环境下的载流才能

在开关形式下操纵时，功率晶体管产生开关消耗。必须经由进程计较得出这些开关消耗，并将其增添到传导消耗

开关形式下功率器件的挑选取决于浪涌请求，而非不中断电流额外值和载流才能

只需第三节描写的第2种环境和第3种环境有效，咱们便能够够操纵根基的热值方程式计较出结温。此时假设咱们已知体系的功率耗散和热阻抗。

凡是将功率耗散分红2局部：传导消耗和开关消耗。功率MOSFET里的传导消耗计较体例为Irms2 x RDS(on)。差别波形的RMS内容可在附录中找到。开关消耗可经由进程开关波形，栅极电荷或阐发体例计较出。IGBT的传导消耗和开关消耗计较体例更加庞杂。

第3节根基方程式中的功率指“均匀”功率，且只需操纵频次相对体系热惯量高，成果就有效。跟着操纵频次回升，结的热品质消弭刹时温度动摇，且结更多地对均匀功率消耗做出呼应，而不是峰值功率消耗。

频次高于几千赫兹，且占空比大于20％时，逐周期温度动摇减少，且峰值结温回升即是均匀功率耗散乘以DC结至壳热阻抗，偏差在一个或两个百分点内。

当操纵频次很低时（几十赫兹)，必须计较温度纹波。上面将要会商的瞬态热阻抗曲线描写了在低频操纵时若何计较温度纹波。

5、脉冲前提下的结温

在脉冲前提下，第3节描写的3个假设不再有效：

器件在稳态形式下不再导通电流

结里产生的热量一局部到体系热品质，一局部到环境

热体系的各个点处的温度在浪涌时代回升。

计较结温的精确体例需斟酌热流的三维性子，如图2所示。凡是经由进程无穷元阐发实现它。因为导通电阻和温度成函数干系，功率耗开会跟着时候增添，且在阐发中必须斟酌接纳公道的功率半导体电气模子。

图 2.因为热量流向三个维度，是以“结温”只是一个大略预算值。结和热体系残剩局部的差别点温度差别。

在良多操纵中，结温预算值就已充足。此时，有两种体例能够得出该预算值，详细以下：

瞬态热阻抗

瞬态热阻抗（或更精确地说，叫热呼应曲线）如图3所示，且在一切的数据手册中能够检查。

图3. 瞬态热阻抗曲线。请注重这是SPICE仿真的热参数(IRLS3036PBF)。

该曲线供给了给按时段内（x轴）浪涌的热反映系数（y轴）。如上图所示，热反映系数（或热阻抗）与导通时候t内的功率耗散（即导通脉冲内的功率，而非全部周期内的均匀功率）相乘得出反复性结到壳温峰值的回升值。功率耗散则可经由进程浪涌时代器件两头的电压和电流计较出。

请注重对长脉冲（在图3中约10ms），热反映与热阻抗相称。

在有些数据手册中，热反映系数归一化为1。这象征着该系数需进一步与数据手册里的热阻抗相乘。

瞬态热呼应曲线假设恒定的管壳温度。这凡是对短于1到5ms的脉冲有效，详细脉冲长度取决于封装的热品质。对更长的浪涌脉冲，壳温起头回升，成果就不是那末精确了。在氛围中或PQFN封装下操纵，壳温最多回升1毫秒，该曲线不供给有效的信息。在这些环境下，必须接纳无穷元阐发摹拟全部热体系。

对大大都操纵（短脉冲和较着热品质），如第3节描写，因为TC首要取决于均匀功率耗散，是以它是可计较的。在稳态任务前提下，将温度纹波叠加到均匀管壳温度，获得峰值结温相对值。

当结温里的纹波很较着时，瞬态热阻抗曲线可用于计较反复率极低的功率脉冲的峰值温度。公道的热呼应产生在x轴上的脉冲宽度与恰当占空比曲线穿插处。如上所述，热呼应系数必须与脉冲时代的功率耗散相乘，而后再叠加到管壳温度。

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