【導讀】電(dian)流(liu)額(e)定(ding)值(zhi)相(xiang)關(guan)的(de)溫(wen)度(du)可(ke)能(neng)與(yu)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)有(you)關(guan)
，也(ye)可(ke)能(neng)無(wu)關(guan)。如(ru)果(guo)有(you)關(guan)，電(dian)流(liu)額(e)定(ding)值(zhi)可(ke)用(yong)於(yu)指(zhi)示(shi)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)。如(ru)果(guo)器(qi)件(jian)的(de)額(e)定(ding)值(zhi)是(shi)在(zai)典(dian)型(xing)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)（如25ºC）不會遇到的溫度時得出的值，它就無法提供應用中實際器件能力的信息。該值隻能用來比較相似器件在相同溫度時的電流額定值。

1、什麼是電流額定值？

電氣設備（如斷路器
，電機或變壓器）的de電dian流liu額e定ding值zhi，是shi指zhi在zai某mou個ge電dian流liu下xia，器qi件jian本ben身shen達da到dao的de溫wen度du可ke能neng損sun害hai器qi件jian可ke靠kao性xing和he功gong能neng時shi的de電dian流liu值zhi。製zhi造zao商shang雖sui然ran知zhi道dao器qi件jian材cai料liao的de溫wen度du限xian值zhi，但dan是shi他ta並bing不bu知zhi道dao使shi用yong器qi件jian時shi的de環huan境jing溫wen度du。因yin此ci，他ta隻zhi能neng假jia設she環huan境jing溫wen度du。這zhe就jiu帶dai來lai了le兩liang種zhong後hou果guo：

●   每個電流額定值都與環境溫度相關（環境，散熱器

，殼）。不考慮環境溫度而討論電流額定值是無意義的。

●   電(dian)流(liu)額(e)定(ding)值(zhi)相(xiang)關(guan)的(de)溫(wen)度(du)可(ke)能(neng)與(yu)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)有(you)關(guan)
，也(ye)可(ke)能(neng)無(wu)關(guan)。如(ru)果(guo)有(you)關(guan)

，電(dian)流(liu)額(e)定(ding)值(zhi)可(ke)用(yong)於(yu)指(zhi)示(shi)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)。如(ru)果(guo)器(qi)件(jian)的(de)額(e)定(ding)值(zhi)是(shi)在(zai)典(dian)型(xing)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)（如25ºC）不會遇到的溫度時得出的值
，它就無法提供應用中實際器件能力的信息。該值隻能用來比較相似器件在相同溫度時的電流額定值。

電氣設備（如電機，斷路器）的de電dian流liu額e定ding值zhi由you各ge種zhong協xie議yi和he法fa規gui規gui定ding。其qi它ta器qi件jian，如ru變bian壓ya器qi，電dian阻zu和he半ban導dao體ti的de電dian流liu額e定ding值zhi都dou在zai數shu據ju手shou冊ce中zhong進jin行xing了le定ding義yi。因yin此ci，用yong戶hu必bi須xu核he實shi器qi件jian能neng否fou在zai以yi下xia條tiao件jian運yun行xing：

●   應用中出現最大電流時

●   最大環境溫度時

●   未超出數據手冊中規定的最高溫度時

為了核實這3個要素，用戶必須進行“熱設計”。這可以是一項簡單的工作
，或者是通過複雜的有限元分析得出結論。

cishi，jingmingdeduzhehuiyishidaodangtazuoreshejishi，jiunengzhaochushijiyingyongzhongqijiandedianliuedingzhi，erbuxuyaozhizaoshangsuotigongdedianliuedingzhi。zhizaoshangtigongdegegedianliuedingzhijinyongyubiaomingqijiandenengli
，bingsuoxiaoxuanzefanwei。

2、功率半導體電流額定值

熱設計對功率半導體非常重要，原因如下：

●   功率半導體的工作電流密度極大，且結溫和環境溫度相差極大

●   功率半導體的熱質量極小
，且會在幾毫秒之內進入熱失控

因此
，功率半導體必須進行散熱處理，且設計者須負責選擇散熱器或其它冷卻方法
，即進行“熱設計”。

3、不間斷電流額定值

典型的功率半導體數據手冊包含了一個或多個“不間斷電流額定值”，通常由曲線圖補充，如圖1所示。這是基於以下假設：

●   功率半導體正在導通固定量的電流（無開關損耗）

●   在結裏產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）的溫度為最大值

圖 1.在器件封裝所允許的限值範圍內時
，不間斷電流額定值與殼溫之間的函數關係(IRLS3036PBF)

在以上假設下
，計算熱值的方程式可簡化為：

由於器件製造商事先不知道使用器件時的熱環境
，因此他將管殼溫度用作參考點得出了電流額定值。

然而，在實際應用中，需考慮整個熱係統，因此以上簡化方程式轉變為：

其中：

T_J= 結溫              

T_A= 環境溫度

R_thJ-C= 結到殼熱阻抗                  

R_thC-S = 殼到散熱器熱阻抗               

R_thS-A= 散熱器到環境熱阻抗            

P_AV= 平均功率耗散

通常，可利用以上公式計算出半導體的不間斷電流額定值。MOSFET有一個獨特的特性：電流和功率耗散呈平方關係。因此，通過下列公式就可計算出電流額定值：

其中R_DS(on)是在額定T_Jmax時的導通電阻。R_thJC 是內部結到殼熱阻抗最大值，T_c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係，因此必須通過迭代過程確定其電流額定值。

在大多數應用中，功率半導體的管殼溫度高於80ºC。因此
，功率器件的可用不間斷直流電流適用於80°和110°C之間的任意管殼溫度。這樣，管殼溫度和環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遺留下來的標準值。

低壓MOSFET技術的進步降低了傳導損耗
，使得封裝成為不間斷電流額定值的限製因素。圖1描述了這一點。 

4、開關模式操作中的電流能力

前述討論的不間斷電流額定值隻作為一個比較基準，給設計者帶來的直接用途很有限，原因如下：

●   功率晶體管一般運行在開關模式，其占空比大大低於100％。設計者真正感興趣的是在實際“開關”操作情況下的載流能力

●   在開關模式下操作時，功率晶體管產生開關損耗。必須通過計算得出這些開關損耗，並將其添加到傳導損耗

●   開關模式下功率器件的選擇取決於浪湧要求，而非不間斷電流額定值和載流能力

隻要第三節描述的第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算出結溫。此時假定我們已知係統的功率耗散和熱阻抗。

通常將功率耗散分成2部分：傳導損耗和開關損耗。功率MOSFET裏的傳導損耗計算方法為I_rms2 x R_DS(on)。不同波形的RMS內容可在附錄中找到。開關損耗可通過開關波形，柵極電荷或分析方法計算出。IGBT的傳導損耗和開關損耗計算方法更為複雜。

第3節基本方程式中的功率指“平均”gonglv
，qiezhiyaocaozuopinlvxiangduiyuxitongreguanlianggao，jieguojiuyouxiao。suizhecaozuopinlvshangsheng
，jiederezhiliangxiaochushunshiwendubodong
，qiejiegengduodiduipingjungonglvsunhaozuochuxiangying，erbushifengzhigonglvsunhao。pinlvgaoyujiqianhezi
，qiezhankongbidayu20％時，逐周期溫度波動縮小，且峰值結溫上升等於平均功率耗散乘以DC結至殼熱阻抗，誤差在一個或兩個百分點內。

當操作頻率很低時（幾十赫茲)
，必須計算溫度紋波。下麵將要討論的瞬態熱阻抗曲線描述了在低頻操作時如何計算溫度紋波。

5、脈衝條件下的結溫

在脈衝條件下，第3節描述的3個假設不再有效：

●   器件在穩態模式下不再導通電流

●   結裏產生的熱量一部分到係統熱質量

，一部分到環境

●   熱係統的各個點處的溫度在浪湧期間上升。

計算結溫的正確方法需考慮熱流的三維性質，如圖2所suo示shi。通tong常chang通tong過guo有you限xian元yuan分fen析xi完wan成cheng它ta。由you於yu導dao通tong電dian阻zu和he溫wen度du成cheng函han數shu關guan係xi，功gong率lv耗hao散san會hui隨sui著zhe時shi間jian增zeng加jia，且qie在zai分fen析xi中zhong必bi須xu考kao慮lv采cai用yong合he理li的de功gong率lv半ban導dao體ti電dian氣qi模mo型xing。

圖 2.由於熱量流向三個維度
，因此“結溫”隻是一個粗略估算值。結和熱係統剩餘部分的不同點溫度不同。

在很多應用中
，結溫估算值就已足夠。此時，有兩種方法可以得出該估算值

，具體如下：

瞬態熱阻抗

瞬態熱阻抗（或者更準確地說，叫熱響應曲線）如圖3所示，且在所有的數據手冊中可以查看。

圖3. 瞬態熱阻抗曲線。請注意這是SPICE仿真的熱參數(IRLS3036PBF)。

該曲線提供了給定時段內（x軸）浪湧的熱反應係數（y軸）。如上圖所示，熱反應係數（或熱阻抗）與導通時間t內的功率耗散（即導通脈衝內的功率

，而非整個周期內的平均功率）相乘得出重複性結到殼溫峰值的上升值。功率耗散則可通過浪湧期間器件兩端的電壓和電流計算出。

請注意對於長脈衝（在圖3中約10ms）
，熱反應與熱阻抗相等。

在有些數據手冊中，熱反應係數歸一化為1。這意味著該係數需進一步與數據手冊裏的熱阻抗相乘。

瞬態熱響應曲線假定恒定的管殼溫度。這通常對短於1到5ms的脈衝有效
，具體脈衝長度取決於封裝的熱質量。對於更長的浪湧脈衝，殼溫開始上升，結果就不是那麼準確了。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熱係統。

對於大多數應用（短脈衝和顯著熱質量），如第3節描述
，由於TC主要取決於平均功率耗散

，因此它是可計算的。在穩態工作條件下
，將溫度紋波疊加到平均管殼溫度，得到峰值結溫絕對值。

當結溫裏的紋波很明顯時，瞬態熱阻抗曲線可用於計算重複率極低的功率脈衝的峰值溫度。合理的熱響應發生在x軸上的脈衝寬度與適當占空比曲線交叉處。如上所述
，熱響應係數必須與脈衝期間的功率耗散相乘，然後再疊加到管殼溫度。

附錄 確定波形ID的均方根值（RMS)

MOSFET傳導損耗與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，這可能在計算I_RMS的值時產生一些問題。對於那些可被分割成若幹段
，且能分段計算出其RMS值的波形，可通過下列等式和步驟確定它們的I_RMS。

通過下列公式可計算出任意波形的RMS值

下圖顯示了多個簡單的波形，以及代入上麵的等式可計算出I_RMS的公式。

如果將下麵各個圖中的波形進行組合可以得出大致令人滿意的實際波形，則可通過下列公式計算出波形的RMS值：

兩個波形不同時等於0時，以上內容成立。 

來源：英飛淩

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