MOSFET功率耗散和结温计算

在计算MOSFET功率耗散时，需要考虑一些因素。当功率耗散已知时，可以计算MOSFET的结温。重要的是要知道，与带有散热器的MOSFET相比，没有散热器的MOSFET具有不同的计算策略。

 

小电流或低功率MOSFET通常直接安装到PCB上。不涉及散热器。大电流和功率MOSFET安装在散热器上。小功率散热器通常用于驱动小信号电路，而功率MOSFET通常用于功率放大器、开关电源和电源等。

 

1.小信号MOSFET的功耗和结温计算

公式1：

这是用于求解MOSFET在工作期间实际功耗的公式。然而，这个公式仅适用于用作驱动或电源开关的MOSFET，但不适用于在高开关频率下工作的MOSFET，例如在开关电源、逆变器和电源装置中。在这些应用中，还将考虑由于开关动作引起的功率耗散。这通常被称为开关损耗。

下面的方程称为导通损耗。

Pdiss_MOSFET=Idrain*Idrain*R(DSon)

式中：

Idrain–漏极电流。这取决于实际应用（这不是数据表中所示的元件的漏极电流额定值）。

R(DSon) –漏极至源极状态电阻。这可以从数据表中得出。

公式2：

Pdiss_MOSFET=（Tjactual–Tambient）/Rthja

式中：

Tjactual–实际测得的结温。

Tambient–MOSFET附近的环境温度

Rthja–从结到环境的热阻

公式1和2将给出相同的结果。然而，公式2涉及实际结温，这不容易测量。

公式3：

此方程式与方程式2相同。但是，这是为了MOSFET可以处理的最大功率耗散或其功率能力。

Pdiss_MOSFET_max=（Tjmax–Tambient）/Rthja

式中：

Tjmax–MOSFET的允许最大结温。这在数据表中指定。

Tambient–MOSFET附近的环境温度

Rthja–从结到环境的热阻

公式4：

这只是等式2和3的重写版本。Pdiss_MOSFET将遵循相同的公式1。

Tjactual=Pdiss_MOSFET*Rthja+Tambient

2.高功率MOSFET的功率耗散和结温计算

公式5：

Pdiss_MOSFET=Idrain*Idrain*R(DSon)

式中：

Idrain–漏极电流。这取决于实际应用（这不是数据表中所示的元件的漏极电流额定值）。

R(DSon) –漏极至源极状态电阻。数据表对此进行了详细说明。

公式6：

Pdiss_MOSFET=（Tjactual–Tambient）/Rthja

式中：

Tjactual–实际测得的结温。

Tambient–MOSFET附近的环境温度

Rthja–从结到环境的热阻。

公式5和6将给出相同的结果。然而，公式2涉及实际结温，这并不容易测量。如果功率MOSFET未安装到散热器上，则此公式也有效。

公式7：

实际MOSFET功率耗散。当MOSFET连接到散热器时，这有效。这与公式6相同，公式6将给出MOSFET的实际功耗。但是，您需要测量实际结温和环境温度。

Pdiss_MOSFET=（Tjactual–Tcactual）/（Rthjc+Rthchs+Rthhsa）

式中：

Tjactual–实际结温。

Tcactual–实际外壳温度

Rthjc–从结到外壳的热阻。这在数据表中提供。

Rthchs–从外壳到散热器的热阻。这是粘合外壳的元件的Rth，并且散热器。

Rthhsa–这是从散热器到空气的热阻。基本上，这是使用的散热器。

公式8：

这与公式7相同。然而，这被广泛用于获得MOSFET可以处理的最大功率耗散。换句话说，MOSFET的功率能力。

Pdiss_MOSFET=(Tjmax–Tcactual)/(Rthjc+Rthchs+Rthhsa)

式中：

Tjmax–每个数据表中MOSFET的最大结温。

Tcactual–实际外壳温度

Rthjc–从结到外壳的热阻。这在数据表中提供。

Rthchs–从外壳到散热器的热阻。这是粘合外壳的元件的Rth，并且散热器。

Rthhsa–这是从散热器到空气的热阻。基本上，这是使用的散热器。

公式9：

这只是等式8的重写版本。这将给出实际的结温。

Tjactual=Pdiss_MOSFET*(Rthjc+Rthchs+Rthhsa)+Tcactual

3.如何获取R(DSon)

制造商在数据表中指定了R(DSon)或漏极到源极导通电阻。这通常位于StaticCharacteristics下。它是一个静态参数，因为它是一个定值。下面的表7是一个示例。这取自nexperia的BUK6Y61-60P。

 

从上表中，R(DSon)以典型和最大单位给出。还有一些测试条件可以得出R(DSon)。

 

用什么？如何选择？

如果目的是为了获得接近精确的功率耗散值，例如获得效率，则使用R(DSon)的典型值。还要考虑实际的电路参数。例如，施加到栅极的电压为10V，典型漏极电流约为4.7A，结温约为25℃，然后选择48mΩ。请注意，上表中的电路参数为负数，因为该元件是P沟道MOSFET。

如果目的是通过评估MOSFET的功率应力来正确确定MOSFET的尺寸，则使用最大值。

 

您可以根据电路参数进行与上述相同的选择。但是，由于您的目标是选择坚固耐用的MOSFET，因此请直接考虑上表中R(DSon)的最大值，即130mΩ。在数据表上，还有一个如下所示的图表。有时，这将直接给出R(DSon)的值与结温的关系，有时会给出R(DSon)的标准化值，如下图所示。该图是获取R(DSon)的更准确方法。

归一化R(DSon)与温度的关系

 

4.总结和结论

上面有几个方程式可以求解MOSFET功率耗散和结温。正确应用每个方程将产生近乎精确的结果。我说几乎完全是因为一切都不完美。在实际场景中有几个变量。例如，在确定R(DSon)时，它已经存在不准确之处。其他参数的确定也是如此。但是，为了确保MOSFET不会失效，在选择元件时请始终考虑最坏的情况。对于需要精度的应用项目，请使用典型值。