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电子产品里面半导体器件是非常常见的,半导体器件的应用是会产生热量的,比如说我们的手机芯片在玩游戏的时候发热比较厉害,如果温度高了手机可能会死机等,为了不让手机死机,工程师们就只能解决功耗与扇热的问题,那么功耗与散热的问题就需要关注一个叫热阻的东西。经常查看半导体的规格书的时候,几乎都会有关于热阻的参数,经常看到的是Rja,Rjc,Rjb这三个参数,对于这三个参数很多人都搞不清楚,在实际运用中不知道用那一个参数来计算。
首先我们先来了解几个基本概念。
Ta(Temperature Ambient)环境温度
Tc(Temperature Case ) 外壳温度
Tj(Temperature Junction) 结点温度
Ta 环境温度就是指开关管的周围环境温度,一般规格书里面给出来的都是25℃一个我们的电子产品里面经常会用到的室温环境温度。
Tc 外壳温度就是指半导体器件的封装表面的温度,而对于MOSFET我们经常看到有塑封与铁封的封装,如果是铁封的封装这个TC一般都是指可以靠散热器的一面金属片上的温度,这个温度一般我们都能测试到。
Tj 结点温度是指半导体的内部晶圆的温度。
规格书上的Rja、Rjc、Rjb的概念。
Rja是指半导体晶圆到环境的总热阻,就是结点到环境温度的热阻
Rjc是指半导体晶圆到外壳的的热阻。
Rjb是指半导体晶圆到PCB的总热阻。
知道Rja,Rjc,Rjb的概念后,在实际的应用中就知道怎么去应用了,对于开关电源中的半导体比如二极管,三极管,MOSFET等通过电流就会有损耗产生,有损耗产生就会发热,热量是由晶圆内部向外传导的,晶圆的温度是最高的,所以功率半导体器件经常要去计算最大温度,因为晶圆温度是不能超过最大的结点温度,一般半导体的结点温度在规格书里面会给出来是150℃。那么不同封装的半导体计算时用的不一样,比如To-220封装的MOS管,如果不用散热器的情况,就是晶圆通过外壳向周围的空气散热,所以计算温度的时候就用Rja,计算公式是Ta=Tj-P×Rja,
如果MOS管的总损耗是知道,那就能计算出晶圆的温度是多少,比如Rja 是62℃/W 如果损耗是1.2W 环境温度是65℃,那么MOSFET的结温是多就可以计算出来了,Tj=Ta+P×Rja=65℃+1.2×62℃/W=139.4℃
反过来结温是不能超150℃,如果最大环境温度是65℃,没有加散热器的情况,Rja=62℃/W
MOS管上的最大损耗 P≤(Tj-Ta)/Rja=1.37W, 通过计算最大损耗不能超过1.37W。
如果是加散热器的要分两种情况:
1、加的散热器非常大并且接触足够良好接触热阻非常小可以忽略,Tj=Tc+P×Rjc 那么这个时候的TC就是半导体的外壳表面的温度。
Rjc=0.6℃/W,如果测试外壳温度是25℃,那么最大的功率P=(Tj-Ta)/Rjc= (150-25)/0.6=208W,这个在规格书里面有标注最大功率就是这样计算出来的。
下面我们来看降额曲线图
我们看降额曲线图,外壳温度在25℃以上功率就开始降额了,这个降额曲线图是根据最大结温150℃与Rjc与外壳表面温度Tc的关系,最大功率是208W Rjc是0.6℃/W
降额曲线图的公式 P=(Tj-Tc)/Rjc Ta≥25℃ ,P=Pmax Tc<25℃。
2、加了散热器但是散热器是有限的情况,并且接触MOSFET与散热器接触是有热阻的情况,这种情况下 Tj=Ta+P×(Rjc+Rcs+Rsa) ,这里的Rcs 是指MOS管与散热器接触的热阻,Rsa是散热器对环境温度热阻。而实际用于中我们经常是散热器有限,接触的时候经常是有绝缘片的,所以我们在高温里面测试开关管的温度的时候,经常是要求最高温度在120℃-130℃,因为这里Rjc+Rcs+Rcs>0.6℃W的原因。如果表面温度高了,里面的结温就会超过150℃。
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