使用功率器件比如MOSFET瞬态热阻曲线计算参数

1.概述
2.查看 ZθJC 图
3.使用 ZθJC 图估算结温升
4.应用案例
5.使用 ZθJC 图估算 MOSFET 峰值电流能力
6.应用实例

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1.概述

功率 MOSFET 数据表包括归一化瞬态热阻抗图：结至外壳 ZθJC 或结至环境 ZθJA。可以用于估算由于单个或重复功率脉冲而导致的结温升。或者，ZθJC 图还可用于估算 MOSFET 在单个或周期脉冲电流下的峰值电流能力。

ZθJC 图包括一系列不同占空比与脉冲宽度值的归一化热阻抗曲线。热阻是在标准的 1.5 英寸 x 1.5 英寸 FR4 PCB 上测量的，器件安装在 1 英寸 2、2oz 的铜垫上。不过，不是用静态功率耗散来测量热阻，而是改变功率脉冲宽度和占空比。然后将每个脉冲宽度和占空比下的热阻值归一化为数据表中指定的静态热阻 RθJC，从而生成曲线。

2.查看 ZθJC 图

以TI CSD17579Q5A 为例，CSD17579Q5A 是一款采用 5mm x 6mm SON 封装的 30V 功率 MOSFET。y 轴是对数标度的归一化热阻抗 ZθJC，x 轴是对数标度的脉冲宽度 tp（单位：秒）。每条曲线代表一个占空比值，从底部的 0%（例如单脉冲）开始，到最上面的曲线的 50% 占空比结束。
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3.使用 ZθJC 图估算结温升

利用 ZθJC 图是一个相对简单的过程。必须知道运行条件，包括栅极驱动电压 VGS、漏极电流（直流或均方根）ID、脉冲宽度 t1 以及占空比 D。使用 VGS 根据 MOSFET 数据表确定 RDS(on)，并计算功率耗散。

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在 ZθJC 图上，在 x 轴上找到脉冲宽度 t1，并在与功率脉冲占空比 D 匹配的曲线上画一条垂直线。这就是这些运行条件下的归一化热阻抗。可以使用如下所示的公式计算估计的结温升。

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4.应用案例

功率 MOSFET 应用广泛，但通常分为两类：开关模式和线性模式。开关模式应用的一些示例包括直流/直流转换器、D 级音频放大器和电机驱动器。用于热插拔、负载开关以及作为线性稳压器旁路元件的浪涌控制是常见的线性模式应用。

在大多数开关模式应用中，MOSFET 是根据稳态运行条件下的连续输出功率水平（热设计功率 (TDP)）来选择和评估的。在这种情况下，FET 中的功率损耗是恒定的，并且可以使用数据表中指定的热阻 RθJC 来估算结温。然而，在输出短路等故障情况下，直流/直流转换器可能会进入断续模式电流限制。在这种运行模式下，控制器在尝试重启之前，会将 FET 开关停止一段预定义的时间。如果故障情况依然存在，控制器将再次停止开关并尝试重启。这会定期持续，直到故障情况消除。图 4-1 中显示了同步降压转换器中 TPS53819A 的示例。

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在此示例中，脉冲宽度 t1 约为 2ms，周期 t2 约为 18ms，占空比为 11%。回到 CSD17579Q5A ZθJC 图，在 2ms 处从 x 轴到（最接近的）10% 占空比曲线绘制一条垂直线。从该交点向 y 轴绘制一条水平线，得到的 ZθJC 值约为 0.52。

在热插拔等线性模式应用中，FET 可能会遭受单脉冲事件（例如浪涌和过流）和周期事件（例如重试模式，与上一示例中所示的断续模式运行类似）。

5.使用 ZθJC 图估算 MOSFET 峰值电流能力

当峰值电流要求已知时，ZθJC 图在 FET 选择过程中也很有用。如，TC = 25°C 时的 FET 最大连续漏极电流计算如下：

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对于单脉冲或重复脉冲，热阻乘以 ZθJC 图中的归一化瞬态热阻抗值。现在，峰值漏极电流的计算变为

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6.应用实例

使用 CSD19532Q5B，在 TC = 25°C 时，1ms 单脉冲的峰值电流是多少？CSD19532Q5B 的 ZθJC 图如下面的图 6-1 所示。

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CSD19532Q5B 最大持续漏极电流计算如下：

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TJ
= 150°C 时的最大 RDS(on) 可按以下方式计算得出：使用 VGS = 10V 时的最大额定 RDS(on) = 4.9mΩ，并将 RDS(on) 乘以数据表图 8 中所示的归一化因数。

从 x 轴上的 1ms 到单脉冲曲线画一条垂直线，并从那里到 y 轴画一条水平线以获得 ZθJC = 0.17。峰值漏极电流的计算公式如下：