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2020.08.05 Si功率元件

MOSFET的熱阻和額定損耗:可背面散熱的封裝

Si電晶體

設計電路時,MOSFET熱計算是必不可少的專案,尤其是對於處理大功率的功率元件而言,不僅從工作壽命的角度看很重要,從安全性方面看也非常重要。此次將用兩篇文章對MOSFET的額定損耗和熱阻進行解說。本文介紹可背面散熱的MOSFET封裝,下一篇文章將介紹不可背面散熱的MOSFET封裝。

可背面散熱封裝的熱阻

關於像TO-220FM和TO-247等可帶散熱器的封裝、TO-252和TO-263等可將背面引腳安裝在電路板上的封裝,這些可從背面散熱的封裝,其熱阻的術語和定義如下:

  • TA :周圍(環境)溫度
  • TJ :接合面溫度
  • TC :封裝背面溫度
  • TT :封裝標印面溫度
  • RthJA(θJA):結點與周圍(環境)間的熱阻
  • RthJC(θJC):結點與封裝背面間的熱阻

可從背面散熱的封裝由引腳框架(圖中的Frame)、晶片和引腳框架的鍵合面(Die Bonding)、MOSFET晶片(Chip)及樹脂封裝(Mold)構成基本結構。前面符號說明中的“結點”是指PN接面,簡單地說是晶片。

另外,下表是TO-247封裝Nch MOSFET的技術規格書中給出的絕對最大額定值和熱阻範例。由於TJ被規定了絕對最大額定值,因此在熱計算中,根本底線是不超過TJ的絕對最大額定值(有時也用“TJMAX”表示)。作為熱阻值,通常會給出基本的RthJA值、以及使封裝背面緊密安裝在打件電路板或散熱器時的熱計算所需的RthJC值。

熱阻和額定損耗之間的關係

前面的絕對最大額定表中給出了額定損耗PD。PD和熱阻RthJC的關係如以下公式所示:

將最大額定值150℃代入TJ,將額定損耗值的條件25℃代入TC,將最大值0.26℃/W代入RthJC。*如注4所示,RthJC是在TC=25℃條件下的值,因此符合PD的規定條件。計算結果約為480W,即表中所示的PD的值。

該公式更易懂的解釋是,TJ的絕對最大額定值和TC的差即晶片自身的發熱額定值。在上述條件下,150-25=125℃,即晶片的額定發熱量為125℃以下。發熱量=熱阻×功耗,因此可額定的發熱量除以熱阻,即可計算出額定的功耗,即額定損耗。

在這裡有一點需要事先瞭解:提供的RthJC是帶有TC=25℃的條件的。換言之,如果TC不是25℃,那麼RthJC就不是0.26℃/W。考慮到實際的使用條件,TC通常不會正好是25℃,因此技術規格書中作為範例給出的RthJC值並不適用於實際使用條件下的熱計算。雖然技術規格書中給出了範例值,但實際上卻無法使用,這會讓很多人感覺到矛盾。眾所周知,在多數情況下,需要特定條件來指定規格值,無論是這項熱阻值,還是技術規格書中的其他規定值,都是在特定條件下的值。

因此,如果要使用RthJC求實際使用條件下的額定損耗,就需要測量並掌握相應條件下的RthJC。然而,這就需要相應的檢測裝置和環境構建。

另一種方法是透過RthJA求得。TJ和RthJA的關係可透過以下公式表示:

P是功率損耗(功耗)。括弧內是晶片的自身發熱量,加上環境溫度TA即得出TJ值。由於此次使用的是RthJA,請按照已將前面給出的公式中的TC替換為TA來思考。透過該計算,來調整功率損耗P或TA,以確保TJ不超過絕對最大額定值150℃。

如果要透過該公式來計算,就需要掌握環境溫度、MOSFET的功率損耗以及RthJA值。環境溫度和MOSFET功率損耗相對容易掌握。此類封裝的RthJA值因安裝電路板封裝背面的焊盤面積、銅箔厚度、電路板的材質及層數而異。有時可以獲得MOSFET在標準的電路板條件下安裝時的RthJA值。

重點:

・在MOSFET熱計算中,通過各種熱阻、功率損耗求得TJ,以確認未超過TJ的絕對最大額定值。

・容許損耗是在TJ不超過絕對最大額定值前提下的功率損耗的反向計算值。

・需要注意規定標準值、絕對最大額定值等價時的條件。

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