温度是影响MOSFET寿命的关键要素之一,为防止过热导致的MOS失效,使用前进行简单的温度估算是必要的。
MOS管发热的主要原因是其工作过程中产生的各种损耗,能量不会凭空消失,损失的能量最终会通过转变为热量被消耗掉,损耗越大发热量也随之越大。在MOSFET开启的过程中随着
下降,
逐渐升高,而电压与电流存在交叠的区域,该区域将产生损耗。当MOSFET完全导通时,
不等于0,这是由于MOSFET的漏源两端存在导通电阻,因此产生压降。该电阻与导通时流过的电流产生损耗。MOSFET关断的过程与其开启过程相似,所以MOSFET关断过程也将产生损耗。除了MOSFET开关产生的损耗外,在三相交流电机控制系统中MOSFET续流二极管中也存在压降损耗。因此MOSFET的主要损耗来源有以下五种:导通损耗、开关损耗、续流损耗、断态损耗、驱动损耗。而对温度影响比较大的主要为导通损耗和开关损耗,因此进行简单估算时暂且也先从这两个损耗入手。
MOSFET损耗
导通损耗:
其中
为MOS管漏极电流,
为MOS管T漏源极导通电阻,D为占空比。
以下以华轩阳的HXY80N06D为例来进行说明,下图是其在管芯25℃和150℃下的漏极电流与漏源电压的关系:
从图中可以看出,当
比较小时,
与
的关系是非线性的;当
在10V时,
与
几乎是线性关系,且温度越高此线性关系越明显。由此可以推算出在给定的驱动电压下,管芯在特定温度时MOS管的导通电阻大小。
同样数据手册中也有典型值与最大值可查。
而导通电阻不仅与栅源电压有关,与MOS管温度也相关,以下为导通电阻与管温关系图。根据下图数据可以拟合得到不同管芯温度对应的导通电阻。
这个图中纵轴并不是导通电阻 $$R_{DS(ON)}$$的值,而是一个系数。假定系数为k,随着温度上升,比如说到100℃时,此时k=1.5,那么在100℃时,
。在计算导通损耗时,假定温度条件后也需要乘以这个系数。
开关损耗:
如果MOSFET开关频率很快,电压电流变化波动较为剧烈,进而产生较大损耗。相比于导通损耗,开关损耗较为严重。
开通过程、关断过程及其中间过程均会产生损耗,但是这次不进行详解,为了简化,有了以下方程:
其中,
为MOS管关断时漏极承受电压;
为MOS管导通电流;
和
为开通、关断的时间,这个值可以在数据手册中查找到;f为开关频率。
开通关断时间:
有了以上两个损耗功率,我们可以粗略计算出总的损耗功率
。接下来在回到数据手册,我们还需要MOS管的热阻。热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是℃/W或者是K/W。半导体散热的三个途径,封装顶部到空气,封装底部到电路板,封装引脚到电路板。
其中
为结到壳之间的热阻,
为外壳到散热片的热阻,
为结在静止空气条件下对环境的热阻,是半导体封装最常见的热参数。即功率每上升1W,对应的温升。
使用公式
即可计算出MOS的结温。假设
最终计算值为30W,由上表可知
。公式中
为结温,
为环境温度,假设为35℃。讲这些参数带入上式可得,
数据手册中结温最高为175℃,则在计算后可知仅凭空气散热即可使盖MOS管正常工作。