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標題: 半導體熱阻問題深度解析 [打印本頁]

作者: 羞紅的夏天 時間: 2012-5-21 15:34
標題: 半導體熱阻問題深度解析

本文是將我以前的《有關熱阻問題》的文章重新梳理，按更嚴密的邏輯來講解。

晶體管(或半導體)的熱阻與溫度、功耗之間的關系為：

Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja

下圖是等效熱路圖：

公式中，Ta表示環境溫度，Tj表示晶體管的結溫， P表示功耗，Rjc表示結殼間的熱阻，Rcs表示晶體管外殼與散熱器間的熱阻，Rsa表示散熱器與環境間的熱阻。Rja表示結與環境間的熱阻。

當功率晶體管的散熱片足夠大而且接觸足夠良好時，殼溫Tc=Ta，晶體管外殼與環境間的熱阻Rca=Rcs+Rsa=0。此時 Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。

廠家規格書一般會給出，最大允許功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等參數。一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃時的最大允許功耗。當使用溫度大于25℃時，會有一個降額指標。

以ON公司的為例三級管2N5551舉個實例：

2N5551規格書中給出殼溫Tc=25℃時的最大允許功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。

代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以從中推出最大允許結溫Tj為150度。一般芯片最大允許結溫是確定的。

所以，2N5551的允許殼溫與允許功耗之間的關系為：Tc=150-P*83.3。比如，假設管子的功耗為1W，那么，允許的殼溫Tc=150-1*83.3=66.7度。

注意，此管子Tc =25℃時的最大允許功耗是1.5W，如果殼溫高于25℃,功率就要降額使用。規格書中給出的降額為12mW/度(0.012W/度）。我們可以用公式來驗證這個結論。假設殼溫為Tc，那么，功率降額為0.012*(Tc-25)。則此時最大總功耗為1.5-0.012*(Tc-25)。把此時的條件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：

Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。

一般情況下沒辦法測Tj，可以經過測Tc的方法來估算Tj。公式變為：

Tj=Tc+P*Rjc

同樣以2N5551為例。假設實際使用功率為1.2W，測得殼溫為60℃，那么，Tj=60+1.2*83.3=159.96此時已經超出了管子的最高結溫150度了！

按照降額0.012W/℃的原則，60℃時的降額為(60-25)*0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是說，殼溫60℃時功率必須小于1.08W，否則超出最高結溫。

假設規格書沒有給出Rjc的值，可以如此計算：Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也沒有給出Tj數據，那么一般硅管的Tj最大為150℃。同樣以2N5551為例。知道25度時的功率為1.5W，假設Tj為150，那么代入上面的公式：Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W，恰好等于規格書給出的實際熱阻。

如果廠家沒有給出25℃時的功率。那么可以自己加一定的功率加到使其殼溫達到允許的最大殼溫時（比如民品級的器件為70℃），再把數據代入：Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P。有給Tj最好，沒有時，一般硅管的Tj取150℃。

我還要作一下補充說明。

一、可以把半導體器件分為功率器件和小功率器件。

1、(大)功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時的功率，散熱器足夠大時且散熱良好時，可以認為其外殼到環境之間的熱阻為0，所以理想狀態時殼溫即等于環境溫度。功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結溫有的可以達到175℃。但是為了保險起見，一律可以按150℃來計算。適用公式：Ta=Tc=Tj-P*Rjc。設計時，Tj最大值為150℃，Rjc已知，假設環境溫度也確定，根據殼溫即等于環境溫度，那么此時允許的P也就隨之確定。

2、小功率半導體器件，比如小功率晶體管，小功率IC，一般使用時是不帶散熱器的。所以這時就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規格書中會給出Rja，即結到環境之間的熱阻。（Rja=Rjc+Rca)。

同樣以三級管2N5551為例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫Tc =25℃時取得的。假設此時環境溫度恰好是25℃，又要消耗1.5W的功率，還要保證殼溫也是25℃，唯一的可能就是它得到足夠良好的散熱！但是一般像 2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。所以，不帶散熱器的小功率半導體器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。一般小功率半導體器件的廠家會在規格書中給出Rja這個參數。

2N5551的Rja廠家給的值是200℃/W。已知其最高結溫是150℃，環境溫度為25℃時，求允許的功耗，可以把上述數據代入 Ta=Tj-P*Rja,得:25=150-P*200,從而得到，P=0.625W。事實上，規格書中就是0.625W。因為2N5551不會加散熱器使用，所以我們平常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！

還有要注意，SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數據是在焊接到規定的焊盤（有一定的散熱功能）上時測得的。

3、大功率晶體管的額定功率一般是指帶散熱器散熱器足夠大時且散熱良好時的功率。有時應用中大功率晶體管不帶散熱器來使用，那么此時其最大功率如何求呢？

BU406的額定功率為60W(Tc=25℃)。BU406的Rja為70℃/W，最大結溫為150℃。由Ta= Tj-P*Rja變形為P=(Tj-Ta)/Rja，把上述數據代人此公式可得，P=(150-Ta)/70。比如環境溫度為25℃時，其最大允許功耗為 P=(150-25)/70=1.786W。如果機器的最高使用溫度為70℃，此時最大允許功耗為P=(150-70)/70=1.14W。可見，盡管BU406的額定功率為60W，但是如果不加散熱片使用，其在常溫下時的功率不過才1.786W！

4、由于半導體的額定功率都是在Tc=25℃或Ta=25℃的條件下得到的，超過25℃時，必須降額使用。而降額系數其實就是對應熱阻的倒數。

比如說，BU406額定功率60W是在Tc=25℃條件下的，Rjc=2.08℃/W，那么其殼溫降額系數Kc=1/Rjc=1/2.08=0.48W/℃。這個結果與廠家規格書中給出的數據正好相同。

又比如，2N5551在Tc=25℃時的額定功率為0.625W，Rjc=83.3℃/W，其殼溫降額系數Kc=1/83.3=0.012W/℃。2N5551另外一個條件是在Ta=25℃時的額定功率為1.5W，Rja=200℃/W，則其環境溫度降額系數Ka=1/Rja=1/200=0.005W/℃。這些數據都和廠家資料符合。

也就是說，設計考慮半導體的功耗和溫度間的關系時，即使廠家沒給出降額系數，也可以根據熱阻來得出其降額系數。即 Kc=1/Rjc或Ka=1/Rja。

要特別說明，這里說的環境溫度降額系數指的是最大額定功耗本身的降額，為了保證晶體管的可靠性，設計降額還需在環境溫度降額系數的基礎上再降額0.5至0.75左右！

5、其實一般規格書中的最大允許儲存溫度其實也是最大允許結溫。最大允許操作溫度其實也就是最大允許殼溫。

最大允許儲存溫度時，功率P當然為0，所以公式變為Tcmax =Tjmax-0*Rjc，即Tcmax=Tjmax。是不是很神奇！

最大允許操作溫度，一般民用級（商業級）為70度，工業級的為85度。普通產品用的都是民用級的器件，工業級的一般貴很多。

熱路的計算，只要抓住這個原則就可以了：從芯片內部開始算起，任何兩點間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點之間的熱阻。這有點像歐姆定律。任何兩點之間的壓降，都等于電流，乘以這兩點間的電阻。

不過要注意，熱量在傳導過程中，任何介質，以及任何介質之間，都有熱阻的存在，當然熱阻小時可以忽略。比如散熱器面積足夠大時，其與環境溫度接近，這時就可以認為熱阻為0。如果器件本身的熱量就造成了周圍環境溫度上升，說明其散熱片（有散熱片的話）或外殼與環境之間的熱阻比較大！這時，最簡單的方法就是直接用Tc=Tj-P*Rjc來計算。其中Tc為殼溫，Rjc為結殼之間的熱阻。如果你Tc換成散熱片(有散熱片的話)表面溫度，那么公式中的熱阻還必須是結殼之間的加上殼與散熱器之間的在加散熱器本身的熱阻！另外，如果你的溫度點是以環境來取點，那么，想想這中間包含了還有哪些熱路吧。比如，散熱片與測試腔體內空氣之間的熱阻，腔體內空氣與腔體外空氣間的熱阻。這樣就比較難算了。

作者: spy007868 時間: 2013-8-30 08:49
復制下來！！！！！！！！！！我自己好好學習！！！！！！！！！！！！！

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