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[经验] 离散半导体器件温度的计算

2019-9-18 09:05:16  92 半导体 MOSFET
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離散半導體器件可用於各種條件和環境機制。特別是處理高功率的功率半導體器件。由於功率密度高, 產生的熱量可能會永久損壞或降低功率半導體器件的壽命。因此, 溫度是功率半導體器件最重要的參數。本文以 MOSFET 為例, 演示如何使用測量的波形來計算通道溫度。該方法也可用於計算其他類型半導體器件的溫度。

1. 目錄

2. 獲取操作波形
3. 計算在固定占空比下運行的 MOSFET 的通道溫度
3.1. 計算通道溫度  
3.2. 計算傳導期間溫度的上升值
3.2.1. 計算導通時的電阻值
3.2.2. 計算傳導損耗
3.2.3. 計算電流傳導時,所引起的溫度上升值
3.3. 計算打開時的溫度上升值
3.4. 計算關斷時溫度的上升值
3.5. 計算最大通道溫度
4. 計算在間歇性、重複損失波形的情況下的通道溫度
5. 獲取操作波形
5.1. 使用電壓探頭
5.2. 使用電流探頭和電流檢測變壓器
6. 補充說明

2. 獲取操作波形
本文檔將介紹如何根據其工作波形,計算降壓轉換器的high-side MOSFET 的通道溫度.如圖2.1。首先, 為了計算其功耗, 獲取其源極到泄極的電壓 VDS 的波形, 和源極電流 ID 波形, 如圖2.2 到圖2.5 所示。此時, 調整示波器顯示的時間軸, 觀察一到兩個週期的 MOSFET 波形。此外, 獲取一個放大的源流視圖, 如圖2.3 所示, 以計算 MOSFET 的傳導損耗。對於開關損耗的計算, 獲取發生開關損耗的期間 (即 VDS 和 ID 波形交越的時間段) 的放大視圖, 如圖2.4 和圖2.5 所示。並測量環境溫度 Ta。





* 此處提供的所有波形, 包括上面顯示的波形, 僅用於表示 MOSFET 的典型操作。  


3. 計算在固定占空比下運行的 MOSFET 的通道溫度

3.1。計算通道溫度
當應用在,有 T 迴圈週期的重複脈衝序列時, 如圖3.1 所示, 使用公式3-1 計算熱穩定狀態下的 Tch (最大值):





但是, 功耗波形很少成為乾淨的矩形波。若要計算 Tch (最大值), 請使用公式3-1 將功耗波形近似為矩形形狀, 如圖3.2 所示。



為了將波形精確地轉換為矩形形狀, 有必要進行積分近似。如果功耗 PD 波形為矩形或三角形, 則 PD 可以近似, 如圖3.3 所示。
(a) 和 (b) 顯示與正弦波或三角波具有相同面積的矩形。
在 (a) 和 (b) 中, 矩形的高度為 0.7 pd, 寬度為0.91t或0.71t。
在 (c) 及 (d) 及 (d) 項中, 峰值功耗在轉換前後保持不變;
在這種情況下, 與正弦波或三角波具有相同面積的矩形的寬度分別為 0.63 t 和 t2。


3.2. 計算傳導期間溫度的上升值。
3.2.1. 計算導通電阻
導通電阻具有正溫度係數。使用資料表中顯示的資料,計算導通電阻在通道溫度Tch 150°C (即絕對最高溫度)下的最大導通電阻值。



表3.1、圖3.4 和圖3.5 是high side MOSFET 資料表的摘錄。在150°C 時讀取的導通電阻值, 並將其代入為公式3-2。圖2.1 所示爲運行在 5 V 的 VGS 上的電路. 圖2.3 顯示 MOSFET 的峰值源極電流為 9.4 A。 從圖3.4 的 VDS-VGS 曲線來看, 5 V 的 RDS (ON) 值比 4.5 v 時的 RDS (ON) 值低約 1 mΩ。從 VGS = 4.5 V/id = 10A 曲線, 讀取 RDS (ON) 值在 150°C, 並考慮RDS (ON)在 4.5 V 和 5 V中的這種差異. 公式3-3 爲考慮 RDS (ON) 的10% 寬裕。






3.2.2. 計算傳導損耗
從圖2.3 的波形和使用公式3-3 計算的導通電阻, 峰值傳導損耗可以用公式3-4 計算。



假設傳導損耗波形為三角形。然後, 它可以使用圖 3.3 (b) 所示的方法近似為矩形。



3.2.3. 計算電流傳導引起的溫度上升值
圖3.7 是資料表中瞬態熱阻曲線的摘錄。迴圈週期和傳導損耗期間讀取的熱阻值。一般情況下, 對於小於100μs 的脈衝寬度, 對數曲線是線性外推得到瞬態熱阻抗的。 由於在圖3-7 中, 水平軸上的最低脈衝寬度為 100μs, 因此對於較窄的脈衝則使用公式 3-5:


tw1: 脈衝寬度, 其中瞬態熱阻抗將被計算
tw2: 最小脈衝寬度顯示在資料表中
rth(tw1):在tw1的瞬態熱阻
rth(tw2): 在tw2的瞬態熱阻
注意: 符號 Zth 有時用於表示瞬態熱阻。




在3.2μs 的迴圈週期內, 瞬態熱阻抗的計算方法如下。表3.2 列出了瞬態熱阻值, 這些值將用於計算圖3.6 所示的傳導週期內的溫度上升值。





在這裡, 假設 MOSFET 安裝在玻璃-環氧板 (a) , 如圖3.7 所示。
然後, 將這些值代入公式 3-1, 計算出傳導過程中通道溫度的上升值, 如下所示。



3.3. 計算開機過程中溫度升高的情況
如圖3.8 所示, 由 VDS 和 ID 曲線的交越點包圍的黃色區域代表開機損耗。使用示波器提供的圖形轉換到資料的軟體或資料獲取軟體, 將這些區域波形轉換為開機損耗波形, 如圖3.9 所示。



* 損失也發生在灰色區域, 但在這裡被忽略, 因為它們比黃色區域小

將三角形 (1) 和 (2) 近似為矩形, 以計算相對應的週期內的瞬態熱阻抗。然後, 使用公式3-8 和3-8 來計算開機時溫度上升的結果。






3.4. 計算關斷過程中溫度的上升值
如同關機過程中的溫度上升情況一樣, 從圖3.13 的 VDS 和 ID 波形中獲得如圖3.13 所示的關斷損耗波形。將三角形區域近似為矩形, 並計算每個脈衝寬度的瞬態熱阻抗。 然後, 計算由此產生的溫度上升值。



* 損失也發生在灰色區域, 但在這裡被忽略, 因為它們比黃色區域小








3.5. 計算最大通道溫度
假設high side MOSFET 的工作原理如圖2.2 所示 (波形 #1)。然後, 使用公式3-11 計算最大通道溫度, 將所計算的溫度上升值之和添加到環境溫度。



此結果證實, 最大通道溫度不會超過150°C 的額定最高溫度。在計算通道溫度時, 您需要評估實際應用中可能出現的最壞情況, 並確保 MOSFET 不僅具有足夠的溫度裕度, 而且還具有所有其他額定值的裕度。
     例如, 假設外殼溫度是已知的一個through-hole封裝 (例如, TO-220) 與含散熱器的 MOSFET。然後, 您可以通過將公式3-1 中的 Rth (ch-a) 和 Ta 分別替換為 Rth (ch-c) 和 Tc, 以相同的方式計算峰值通道溫度。

4. 在間歇性、重複損失波形的情況下計算通道溫度
如圖4.1 所示的間歇性重複損耗波形可以轉換成如圖4.2 所示。因此, 可以使用公式4-1 計算通道溫度。





將圖4.1 的損耗波形近似為矩形波形, 如圖4.3 所示。
假設 Rth (ch-a) = 83°C/W 和 Ta = 50°C。使用這些值和圖3.7 的瞬態熱阻抗曲線來計算通道溫度。






此結果證實, 圖4.1 所示的損耗波形不會導致峰值通道溫度 Tch (最大值) 超過150°C。但是, 相對於 MOSFET 的最大通道溫度額定值, 通道溫度沒有足夠的裕度。因此, 有必要重新考慮散熱條件或選擇另一個 MOSFET。  
   
5. 獲得操作波形
應使用電壓探頭、電流探頭或電流檢測變壓器來獲取被測物的工作波形。     
5.1. 使用電壓探頭
使用電壓探頭測量電壓, 通常使用連接的 GND 引線, 如圖5.1 所示。由於 GND 引線具有較大的寄生電感, 因此在高頻下工作的 MOSFET 可能會顯示出振鈴。GND 引線也可能起到天線的作用, 導致 MOSFET 受到雜訊的影響。被測物兩個端子上的電壓應以 GND 引線的最小長度進行測量。通過將探頭連接到電路板連接器, 並拆除鉤頭, 可以準確地測量電壓。也可以通過將鍍線包裹在探頭周圍, 並拆除鉤頭來測量電壓, 如圖5.2 所示。




5.2. 使用電流探頭和電流檢測變壓器
使用電流探頭或電流檢測變壓器測量,如圖5.3 所示電路的電流, 為了連接電流檢測的引線, 對電路板的部分軌跡進行了切割。應注意引線與之相連的位置。圖5.4 圖5.9 顯示了源極到瀉極電壓 VDS 和源極電流 ID 波形。為了獲得這些波形, 我們將直徑為2毫米、長度約為60毫米的引線連接到 MOSFET 的源極或瀉極端子。當引線連接到源極時, 測量的波形幾乎與在不使用引線的情況下獲得的波形相同。然而, 當引線連接到瀉極時, 無法獲得準確的波形;由於引線電感的影響, VDS 和 ID 波形被延遲。因此, 有必要將電流感應引線連接到源極, 以獲得準確的電流波形。










6. 補充解釋
公式3-1 是從圖6.1 所示的波形導出的。當損失 PO 在固定間隔重複出現時 (如 (a) 所示, 首先計算整個期間的平均損失。然後, 假設兩個週期應用損耗脈衝, 計算通道溫度的上升。(b) 顯示 (a) 的近似值。(c) 是使用疊加原則的 (b) 項的另一種表示形式。加上 T4 至 T5 期間的損失脈衝所造成的損失變化。由於在 T5 至 T6 期間沒有發生損失, 因此從 T4–T5 總數中減去 PO。由於 PO 在 T6 至 T7 期間再次應用, 因此添加 PO 以獲得 T7 溫度的上升值。您可以通過將此結果添加到環境溫度來查找峰值通道溫度。



由 (c) 中的 (1) 到 (4) 引起的溫度上升值,可以使用公式6-1 到公式6-4 來計算。



因此, 通道總溫度上升值,表示為方程6-5。通過環境溫度 Ta 加入 ?Tch, 得到了峰值通道溫度 (公式 3-1)

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