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解鎖 MOS 管:溫度估算不再燒腦

朱老師物聯網大講堂 ? 2024-08-08 08:11 ? 次閱讀

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

MOS管發熱的主要原因是其工作過程中產生的各種損耗,能量不會憑空消失,損失的能量最終會通過轉變為熱量被消耗掉,損耗越大發熱量也隨之越大。在MOSFET開啟的過程中隨著b5a239fe-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg下降,b5b2a848-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg逐漸升高,而電壓與電流存在交疊的區域,該區域將產生損耗。當MOSFET完全導通時,b5cb7cd8-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg不等于0,這是由于MOSFET的漏源兩端存在導通電阻,因此產生壓降。該電阻與導通時流過的電流產生損耗。MOSFET關斷的過程與其開啟過程相似,所以MOSFET關斷過程也將產生損耗。除了MOSFET開關產生的損耗外,在三相交流電機控制系統中MOSFET續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:導通損耗、開關損耗、續流損耗、斷態損耗、驅動損耗。而對溫度影響比較大的主要為導通損耗和開關損耗,因此進行簡單估算時暫且也先從這兩個損耗入手。

MOSFET損耗

導通損耗:

b5e577c8-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg

其中b5ef4500-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為MOS管漏極電流,b601b226-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為MOS管T漏源極導通電阻,D為占空比。

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

b60f1006-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

從圖中可以看出,當b6234f80-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg比較小時,b5a239fe-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpgb6234f80-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg的關系是非線性的;當b6234f80-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg在10V時,b6234f80-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpgb5ef4500-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg幾乎是線性關系,且溫度越高此線性關系越明顯。由此可以推算出在給定的驅動電壓下,管芯在特定溫度時MOS管的導通電阻大小。

b6611d56-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

同樣數據手冊中也有典型值與最大值可查。

而導通電阻不僅與柵源電壓有關,與MOS管溫度也相關,以下為導通電阻與管溫關系圖。根據下圖數據可以擬合得到不同管芯溫度對應的導通電阻。

b66c950a-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

這個圖中縱軸并不是導通電阻 $$R_{DS(ON)}$$的值,而是一個系數。假定系數為k,隨著溫度上升,比如說到100℃時,此時k=1.5,那么在100℃時,b6816bc4-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg。在計算導通損耗時,假定溫度條件后也需要乘以這個系數。

開關損耗:

如果MOSFET開關頻率很快,電壓電流變化波動較為劇烈,進而產生較大損耗。相比于導通損耗,開關損耗較為嚴重。

b68c1ccc-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

開通過程、關斷過程及其中間過程均會產生損耗,但是這次不進行詳解,為了簡化,有了以下方程:

b736ca6e-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg

其中,b74bc6da-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為MOS管關斷時漏極承受電壓;b75f452a-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為MOS管導通電流;b76cc8e4-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpgb7802538-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為開通、關斷的時間,這個值可以在數據手冊中查找到;f為開關頻率。

開通關斷時間:

b78cffa6-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

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b7a0128a-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg。接下來在回到數據手冊,我們還需要MOS管的熱阻。熱阻指的是當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。

b7a852f6-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

其中b7cd4278-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為結到殼之間的熱阻,b7d9735e-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為外殼到散熱片的熱阻,b7eed96a-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為結在靜止空氣條件下對環境的熱阻,是半導體封裝最常見的熱參數。即功率每上升1W,對應的溫升。

使用公式b800e68c-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg即可計算出MOS的結溫。假設b813a470-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg最終計算值為30W,由上表可知b8256cbe-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg。公式中b82f6656-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為結溫,b84259dc-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg為環境溫度,假設為35℃。講這些參數帶入上式可得, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

b854f628-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.jpg

b8621b96-551a-11ef-817b-92fbcf53809c.png

數據手冊中結溫最高為175℃,則在計算后可知僅憑空氣散熱即可使蓋MOS管正常工作。

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