【導(dǎo)讀】電流額定值相關(guān)的溫度可能與實(shí)際工作條件有關(guān),也可能無關(guān)。如果有關(guān),電流額定值可用于指示實(shí)際應(yīng)用中器件的電流能力。如果器件的額定值是在典型工作環(huán)境(如25oC)不會(huì)遇到的溫度時(shí)得出的值,它就無法提供應(yīng)用中實(shí)際器件能力的信息。該值只能用來比較相似器件在相同溫度時(shí)的電流額定值。
1、什么是電流額定值?
電氣設(shè)備(如斷路器,電機(jī)或變壓器)的電流額定值,是指在某個(gè)電流下,器件本身達(dá)到的溫度可能損害器件可靠性和功能時(shí)的電流值。制造商雖然知道器件材料的溫度限值,但是他并不知道使用器件時(shí)的環(huán)境溫度。因此,他只能假設(shè)環(huán)境溫度。這就帶來了兩種后果:
● 每個(gè)電流額定值都與環(huán)境溫度相關(guān)(環(huán)境,散熱器,殼)。不考慮環(huán)境溫度而討論電流額定值是無意義的。
● 電流額定值相關(guān)的溫度可能與實(shí)際工作條件有關(guān),也可能無關(guān)。如果有關(guān),電流額定值可用于指示實(shí)際應(yīng)用中器件的電流能力。如果器件的額定值是在典型工作環(huán)境(如25oC)不會(huì)遇到的溫度時(shí)得出的值,它就無法提供應(yīng)用中實(shí)際器件能力的信息。該值只能用來比較相似器件在相同溫度時(shí)的電流額定值。
電氣設(shè)備(如電機(jī),斷路器)的電流額定值由各種協(xié)議和法規(guī)規(guī)定。其它器件,如變壓器,電阻和半導(dǎo)體的電流額定值都在數(shù)據(jù)手冊中進(jìn)行了定義。因此,用戶必須核實(shí)器件能否在以下條件運(yùn)行:
● 應(yīng)用中出現(xiàn)最大電流時(shí)
● 最大環(huán)境溫度時(shí)
● 未超出數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最高溫度時(shí)
為了核實(shí)這3個(gè)要素,用戶必須進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”。這可以是一項(xiàng)簡單的工作,或者是通過復(fù)雜的有限元分析得出結(jié)論。
此時(shí),精明的讀者會(huì)意識(shí)到當(dāng)他做熱設(shè)計(jì)時(shí),就能找出實(shí)際應(yīng)用中器件的電流額定值,而不需要制造商所提供的電流額定值。制造商提供的各個(gè)電流額定值僅用于表明器件的能力,并縮小選擇范圍。
2、功率半導(dǎo)體電流額定值
熱設(shè)計(jì)對功率半導(dǎo)體非常重要,原因如下:
● 功率半導(dǎo)體的工作電流密度極大,且結(jié)溫和環(huán)境溫度相差極大
● 功率半導(dǎo)體的熱質(zhì)量極小,且會(huì)在幾毫秒之內(nèi)進(jìn)入熱失控
因此,功率半導(dǎo)體必須進(jìn)行散熱處理,且設(shè)計(jì)者須負(fù)責(zé)選擇散熱器或其它冷卻方法,即進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”。
3、不間斷電流額定值
典型的功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊包含了一個(gè)或多個(gè)“不間斷電流額定值”,通常由曲線圖補(bǔ)充,如圖1所示。這是基于以下假設(shè):
● 功率半導(dǎo)體正在導(dǎo)通固定量的電流(無開關(guān)損耗)
● 在結(jié)里產(chǎn)生的熱量流入到無限散熱器
● 熱源和殼的溫度是恒定不變的。熱源(結(jié))的溫度為最大值
圖 1.在器件封裝所允許的限值范圍內(nèi)時(shí),不間斷電流額定值與殼溫之間的函數(shù)關(guān)系(IRLS3036PBF)
在以上假設(shè)下,計(jì)算熱值的方程式可簡化為:
由于器件制造商事先不知道使用器件時(shí)的熱環(huán)境,因此他將管殼溫度用作參考點(diǎn)得出了電流額定值。
然而,在實(shí)際應(yīng)用中,需考慮整個(gè)熱系統(tǒng),因此以上簡化方程式轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>
其中:
TJ= 結(jié)溫
TA= 環(huán)境溫度
RthJ-C= 結(jié)到殼熱阻抗
RthC-S = 殼到散熱器熱阻抗
RthS-A= 散熱器到環(huán)境熱阻抗
PAV= 平均功率耗散
通常,可利用以上公式計(jì)算出半導(dǎo)體的不間斷電流額定值。MOSFET有一個(gè)獨(dú)特的特性:電流和功率耗散呈平方關(guān)系。因此,通過下列公式就可計(jì)算出電流額定值:
其中RDS(on)是在額定TJmax時(shí)的導(dǎo)通電阻。RthJC 是內(nèi)部結(jié)到殼熱阻抗最大值,Tc是管殼溫度。其它功率器件的電流和功率耗散是非線性的關(guān)系,因此必須通過迭代過程確定其電流額定值。
在大多數(shù)應(yīng)用中,功率半導(dǎo)體的管殼溫度高于80oC。因此,功率器件的可用不間斷直流電流適用于80°和110°C之間的任意管殼溫度。這樣,管殼溫度和環(huán)境溫度之間有了足夠的差距,散熱器就能處理熱傳遞。25°C電流額定值是第一代雙極晶體管JEDEC遺留下來的標(biāo)準(zhǔn)值。
低壓MOSFET技術(shù)的進(jìn)步降低了傳導(dǎo)損耗,使得封裝成為不間斷電流額定值的限制因素。圖1描述了這一點(diǎn)。
4、開關(guān)模式操作中的電流能力
前述討論的不間斷電流額定值只作為一個(gè)比較基準(zhǔn),給設(shè)計(jì)者帶來的直接用途很有限,原因如下:
● 功率晶體管一般運(yùn)行在開關(guān)模式,其占空比大大低于100%。設(shè)計(jì)者真正感興趣的是在實(shí)際“開關(guān)”操作情況下的載流能力
● 在開關(guān)模式下操作時(shí),功率晶體管產(chǎn)生開關(guān)損耗。必須通過計(jì)算得出這些開關(guān)損耗,并將其添加到傳導(dǎo)損耗
● 開關(guān)模式下功率器件的選擇取決于浪涌要求,而非不間斷電流額定值和載流能力
只要第三節(jié)描述的第2種情況和第3種情況有效,我們就可以使用基本的熱值方程式計(jì)算出結(jié)溫。此時(shí)假定我們已知系統(tǒng)的功率耗散和熱阻抗。
通常將功率耗散分成2部分:傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。功率MOSFET里的傳導(dǎo)損耗計(jì)算方法為Irms2 x RDS(on)。不同波形的RMS內(nèi)容可在附錄中找到。開關(guān)損耗可通過開關(guān)波形,柵極電荷或分析方法計(jì)算出。IGBT的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗計(jì)算方法更為復(fù)雜。
第3節(jié)基本方程式中的功率指“平均”功率,且只要操作頻率相對于系統(tǒng)熱慣量高,結(jié)果就有效。隨著操作頻率上升,結(jié)的熱質(zhì)量消除瞬時(shí)溫度波動(dòng),且結(jié)更多地對平均功率損耗做出響應(yīng),而不是峰值功率損耗。頻率高于幾千赫茲,且占空比大于20%時(shí),逐周期溫度波動(dòng)縮小,且峰值結(jié)溫上升等于平均功率耗散乘以DC結(jié)至殼熱阻抗,誤差在一個(gè)或兩個(gè)百分點(diǎn)內(nèi)。
當(dāng)操作頻率很低時(shí)(幾十赫茲),必須計(jì)算溫度紋波。下面將要討論的瞬態(tài)熱阻抗曲線描述了在低頻操作時(shí)如何計(jì)算溫度紋波。
5、脈沖條件下的結(jié)溫
在脈沖條件下,第3節(jié)描述的3個(gè)假設(shè)不再有效:
● 器件在穩(wěn)態(tài)模式下不再導(dǎo)通電流
● 結(jié)里產(chǎn)生的熱量一部分到系統(tǒng)熱質(zhì)量,一部分到環(huán)境
● 熱系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)處的溫度在浪涌期間上升。
計(jì)算結(jié)溫的正確方法需考慮熱流的三維性質(zhì),如圖2所示。通常通過有限元分析完成它。由于導(dǎo)通電阻和溫度成函數(shù)關(guān)系,功率耗散會(huì)隨著時(shí)間增加,且在分析中必須考慮采用合理的功率半導(dǎo)體電氣模型。
圖 2.由于熱量流向三個(gè)維度,因此“結(jié)溫”只是一個(gè)粗略估算值。結(jié)和熱系統(tǒng)剩余部分的不同點(diǎn)溫度不同。
在很多應(yīng)用中,結(jié)溫估算值就已足夠。此時(shí),有兩種方法可以得出該估算值,具體如下:
瞬態(tài)熱阻抗
瞬態(tài)熱阻抗(或者更準(zhǔn)確地說,叫熱響應(yīng)曲線)如圖3所示,且在所有的數(shù)據(jù)手冊中可以查看。
圖3. 瞬態(tài)熱阻抗曲線。請注意這是SPICE仿真的熱參數(shù)(IRLS3036PBF)。
該曲線提供了給定時(shí)段內(nèi)(x軸)浪涌的熱反應(yīng)系數(shù)(y軸)。如上圖所示,熱反應(yīng)系數(shù)(或熱阻抗)與導(dǎo)通時(shí)間t內(nèi)的功率耗散(即導(dǎo)通脈沖內(nèi)的功率,而非整個(gè)周期內(nèi)的平均功率)相乘得出重復(fù)性結(jié)到殼溫峰值的上升值。功率耗散則可通過浪涌期間器件兩端的電壓和電流計(jì)算出。
請注意對于長脈沖(在圖3中約10ms),熱反應(yīng)與熱阻抗相等。
在有些數(shù)據(jù)手冊中,熱反應(yīng)系數(shù)歸一化為1。這意味著該系數(shù)需進(jìn)一步與數(shù)據(jù)手冊里的熱阻抗相乘。
瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線假定恒定的管殼溫度。這通常對短于1到5ms的脈沖有效,具體脈沖長度取決于封裝的熱質(zhì)量。對于更長的浪涌脈沖,殼溫開始上升,結(jié)果就不是那么準(zhǔn)確了。在空氣中或PQFN封裝下操作,殼溫最多上升1毫秒,該曲線不提供有用的信息。在這些情況下,必須采用有限元分析模擬整個(gè)熱系統(tǒng)。
對于大多數(shù)應(yīng)用(短脈沖和顯著熱質(zhì)量),如第3節(jié)描述,由于TC主要取決于平均功率耗散,因此它是可計(jì)算的。在穩(wěn)態(tài)工作條件下,將溫度紋波疊加到平均管殼溫度,得到峰值結(jié)溫絕對值。
當(dāng)結(jié)溫里的紋波很明顯時(shí),瞬態(tài)熱阻抗曲線可用于計(jì)算重復(fù)率極低的功率脈沖的峰值溫度。合理的熱響應(yīng)發(fā)生在x軸上的脈沖寬度與適當(dāng)占空比曲線交叉處。如上所述,熱響應(yīng)系數(shù)必須與脈沖期間的功率耗散相乘,然后再疊加到管殼溫度。
附錄 確定波形ID的均方根值(RMS)
MOSFET傳導(dǎo)損耗與RMS漏電流的平方成比例。電流波形很少是簡單的正弦曲線或矩形,這可能在計(jì)算IRMS的值時(shí)產(chǎn)生一些問題。對于那些可被分割成若干段,且能分段計(jì)算出其RMS值的波形,可通過下列等式和步驟確定它們的IRMS。
通過下列公式可計(jì)算出任意波形的RMS值
下圖顯示了多個(gè)簡單的波形,以及代入上面的等式可計(jì)算出IRMS的公式。
如果將下面各個(gè)圖中的波形進(jìn)行組合可以得出大致令人滿意的實(shí)際波形,則可通過下列公式計(jì)算出波形的RMS值:
兩個(gè)波形不同時(shí)等于0時(shí),以上內(nèi)容成立。
來源:英飛凌
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