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2020.06.10 Si功率元器件

MOSFET的热阻和容许损耗:可背面散热的封装

Si晶体管

设计电路时,MOSFET热计算是必不可少的项目,尤其是对于处理大功率的功率元器件而言,不仅从工作寿命的角度看很重要,从安全性方面看也非常重要。此次将用两篇文章对MOSFET的容许损耗和热阻进行解说。本文介绍可背面散热的MOSFET封装,下一篇文章将介绍不可背面散热的MOSFET封装。

可背面散热封装的热阻

关于像TO-220FM和TO-247等可带散热器的封装、TO-252和TO-263等可将背面引脚安装在电路板上的封装,这些可从背面散热的封装,其热阻的术语和定义如下:

  • TA :周围(环境)温度
  • TJ :结温
  • TC :封装背面温度
  • TT :封装标印面温度
  • RthJA(θJA):结点与周围(环境)间的热阻
  • RthJC(θJC):结点与封装背面间的热阻

可从背面散热的封装由引线框架(图中的Frame)、芯片和引线框架的键合面(Die Bonding)、MOSFET芯片(Chip)及树脂封装(Mold)构成基本结构。前面符号说明中的“结点”是指PN结,简单地说是芯片。

另外,下表是TO-247封装Nch MOSFET的技术规格书中给出的绝对最大额定值和热阻示例。由于TJ被规定了绝对最大额定值,因此在热计算中,根本底线是不超过TJ的绝对最大额定值(有时也用“TJMAX”表示)。作为热阻值,通常会给出基本的RthJA值、以及使封装背面紧密贴装在实装电路板或散热器时的热计算所需的RthJC值。

热阻和容许损耗之间的关系

前面的绝对最大额定表中给出了容许损耗PD。PD和热阻RthJC的关系如以下公式所示:

将最大额定值150℃代入TJ,将容许损耗值的条件25℃代入TC,将最大值0.26℃/W代入RthJC。*如注4所示,RthJC是在TC=25℃条件下的值,因此符合PD的规定条件。计算结果约为480W,即表中所示的PD的值。

该公式更易懂的解释是,TJ的绝对最大额定值和TC的差即芯片自身的发热容许值。在上述条件下,150-25=125℃,即芯片的容许发热量为125℃以下。发热量=热阻×功耗,因此可容许的发热量除以热阻,即可计算出容许的功耗,即容许损耗。

在这里有一点需要事先了解:提供的RthJC是带有TC=25℃的条件的。换言之,如果TC不是25℃,那么RthJC就不是0.26℃/W。考虑到实际的使用条件,TC通常不会正好是25℃,因此技术规格书中作为示例给出的RthJC值并不适用于实际使用条件下的热计算。虽然技术规格书中给出了示例值,但实际上却无法使用,这会让很多人感觉到矛盾。众所周知,在多数情况下,需要特定条件来指定规格值,无论是这项热阻值,还是技术规格书中的其他规定值,都是在特定条件下的值。

因此,如果要使用RthJC求实际使用条件下的容许损耗,就需要测量并掌握相应条件下的RthJC。然而,这就需要相应的检测设备和环境构建。

另一种方法是通过RthJA求得。TJ和RthJA的关系可通过以下公式表示:

P是电力损耗(功耗)。括号内是芯片的自身发热量,加上环境温度TA即得出TJ值。由于此次使用的是RthJA,请按照已将前面给出的公式中的TC替换为TA来思考。通过该计算,来调整功率损耗P或TA,以确保TJ不超过绝对最大额定值150℃。

如果要通过该公式来计算,就需要掌握环境温度、MOSFET的功率损耗以及RthJA值。环境温度和MOSFET功率损耗相对容易掌握。此类封装的RthJA值因安装电路板封装背面的焊盘面积、铜箔厚度、电路板的材质及层数而异。有时可以获得MOSFET在标准的电路板条件下安装时的RthJA值。

关键要点:

・在MOSFET热计算中,通过各种热阻、功率损耗求得TJ,以确认未超过TJ的绝对最大额定值。

・容许损耗是在TJ不超过绝对最大额定值前提下的功率损耗的反向计算值。

・需要注意规定标准值、绝对最大额定值等值时的条件。

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