解鎖 MOS 管：溫度估算不再燒腦

溫度是影響MOSFET壽命的關(guān)鍵要素之一，為防止過(guò)熱導(dǎo)致的MOS失效，使用前進(jìn)行簡(jiǎn)單的溫度估算是必要的。

MOS管發(fā)熱的主要原因是其工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種損耗，能量不會(huì)憑空消失，損失的能量最終會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃勘幌牡簦瑩p耗越大發(fā)熱量也隨之越大。在MOSFET開(kāi)啟的過(guò)程中隨著下降，逐漸升高，而電壓與電流存在交疊的區(qū)域，該區(qū)域?qū)a(chǎn)生損耗。當(dāng)MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，不等于0，這是由于MOSFET的漏源兩端存在導(dǎo)通電阻，因此產(chǎn)生壓降。該電阻與導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流產(chǎn)生損耗。MOSFET關(guān)斷的過(guò)程與其開(kāi)啟過(guò)程相似，所以MOSFET關(guān)斷過(guò)程也將產(chǎn)生損耗。除了MOSFET開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的損耗外，在三相交流電機(jī)控制系統(tǒng)中MOSFET續(xù)流二極管中也存在壓降損耗。因此MOSFET的主要損耗來(lái)源有以下五種：導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、續(xù)流損耗、斷態(tài)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗。而對(duì)溫度影響比較大的主要為導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，因此進(jìn)行簡(jiǎn)單估算時(shí)暫且也先從這兩個(gè)損耗入手。

MOSFET損耗

導(dǎo)通損耗：

其中為MOS管漏極電流，為MOS管T漏源極導(dǎo)通電阻，D為占空比。

以下以華軒陽(yáng)的HXY80N06D為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，下圖是其在管芯25℃和150℃下的漏極電流與漏源電壓的關(guān)系：

從圖中可以看出，當(dāng)比較小時(shí)，與的關(guān)系是非線性的；當(dāng)在10V時(shí)，與幾乎是線性關(guān)系，且溫度越高此線性關(guān)系越明顯。由此可以推算出在給定的驅(qū)動(dòng)電壓下，管芯在特定溫度時(shí)MOS管的導(dǎo)通電阻大小。

同樣數(shù)據(jù)手冊(cè)中也有典型值與最大值可查。

而導(dǎo)通電阻不僅與柵源電壓有關(guān)，與MOS管溫度也相關(guān)，以下為導(dǎo)通電阻與管溫關(guān)系圖。根據(jù)下圖數(shù)據(jù)可以擬合得到不同管芯溫度對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通電阻。

這個(gè)圖中縱軸并不是導(dǎo)通電阻 $$R_{DS(ON)}$$的值，而是一個(gè)系數(shù)。假定系數(shù)為k，隨著溫度上升，比如說(shuō)到100℃時(shí)，此時(shí)k=1.5，那么在100℃時(shí)，。在計(jì)算導(dǎo)通損耗時(shí)，假定溫度條件后也需要乘以這個(gè)系數(shù)。

開(kāi)關(guān)損耗：

如果MOSFET開(kāi)關(guān)頻率很快，電壓電流變化波動(dòng)較為劇烈，進(jìn)而產(chǎn)生較大損耗。相比于導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗較為嚴(yán)重。

開(kāi)通過(guò)程、關(guān)斷過(guò)程及其中間過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生損耗，但是這次不進(jìn)行詳解，為了簡(jiǎn)化，有了以下方程：

其中，為MOS管關(guān)斷時(shí)漏極承受電壓；為MOS管導(dǎo)通電流；和為開(kāi)通、關(guān)斷的時(shí)間，這個(gè)值可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找到；f為開(kāi)關(guān)頻率。

開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間：

有了以上兩個(gè)損耗功率，我們可以粗略計(jì)算出總的損耗功率。接下來(lái)在回到數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們還需要MOS管的熱阻。熱阻指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)，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(dǎo)體散熱的三個(gè)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。

其中為結(jié)到殼之間的熱阻，為外殼到散熱片的熱阻，為結(jié)在靜止空氣條件下對(duì)環(huán)境的熱阻,是半導(dǎo)體封裝最常見(jiàn)的熱參數(shù)。即功率每上升1W，對(duì)應(yīng)的溫升。

使用公式即可計(jì)算出MOS的結(jié)溫。假設(shè)最終計(jì)算值為30W，由上表可知。公式中為結(jié)溫，為環(huán)境溫度，假設(shè)為35℃。講這些參數(shù)帶入上式可得， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

數(shù)據(jù)手冊(cè)中結(jié)溫最高為175℃，則在計(jì)算后可知僅憑空氣散熱即可使蓋MOS管正常工作。