MOSFET的额定电流与散热

时间： 2024-10-10 来源：方舟微

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不太了解的用户可能会认为MOSFET数据手册上的连续漏极额定电流ID(MAX)代表器件在实际系统中的工作电流。但事实并非如此，此类ID(MAX) 额定值是基于理想测试条件。测试条件通常涉及非常大的散热器或通过人工冷却将管芯温度保持在较低水平。

ID(MAX)是MOSFET的连续漏极电流，连续漏极电流ID(MAX)是基于MOSFET最大允许结温的计算值，并不是一个真正的测量值。连续漏极电流ID(MAX)与器件封装有关，当MOSFET的封装确定后，即可确定MOSFET的最大功耗PD，再根据最大工作结温下MOSFET的导通电阻值RDS(on)_TJ(max)，通过公式PD=ID(MAX)²*RDS(on)_TJ(max)即可计算出连续漏极电流 ID(MAX)。

需注意的是，不同制造商使用不同的标准（有些标准比其他标准更保守）来确定其MOSFET ID(MAX)额定值，这些方法也在随着时间的推移而发展。因此，通过这些额定值来比较不同器件的能力是不准确的。比较不同器件的更现实的方法是基于功率损耗，以及在给定的一组条件下功率损耗如何导致管芯和封装温度上升。

作为第一个标准，比较25℃时的RDS(on)很有用，因为这为比较提供了通用基础。RDS(on)由串联管芯和封装电阻组成（功率封装中的封装电阻仅对导通电阻低于10mΩ左右的MOSFET很重要），前者取决于栅源电压 VGS。

RDS(on) 与结壳热阻 RTH(JC) 结合使用（有时会为封装顶部和底部提供单独的结壳热阻值），可以更好地显示功率MOSFET的真实电流承载能力。以下焊接到PCB上的典型TO-263封装的功率MOSFET的剖面图提供了更清晰的图像。管芯底部连接到金属片，使漏极与电路板相连接。源极和栅极连接通过键合线连接到形成外部引线的引线框架。由于漏极电流流经源极，因此使用了几根键合线，有时还会用到几根源极引线。在一些大电流器件中，会使用铜夹代替源极键合线以实现更低的电阻。

图1 在PCB上安装TO-263封装MOSFET的示意图

显然，当电流通过漏源路径时，会产生导通损耗，并产生热量。开关功率转换器也会产生开关损耗，每个开关周期都会消耗一定的能量，开关损耗与频率有关。总损耗包括导通损耗和开关损耗，通过封装顶部和/ 或底部传输出去。散热方式因封装而异。大多数封装都是底部或背部散热，如上例所示，其中大部分热量通过漏极散热片传递到 PCB，这需要在漏极焊盘下方添加大量热通孔以将热量传递到电路板底部。然后可以在电路板下方安装散热器。也有顶部散热封装，如TOLT封装，其封装内的管芯和引线框架的内部布局不同；它们在封装顶部有一个裸露的金属焊盘，可以用来安装散热器。

图2 底部和顶部散热

散热器尺寸必须能够从MOSFET管芯传递足够的热量，使其结温保持在最大额定水平以下。设计人员必须首先选择正确的MOSFET管芯尺寸和封装以限制功率损耗，接着必须选择合适的散热器来保持安全结温。除了散热器尺寸和表面积（由翅片的形状和数量决定）外，还必须考虑结至环境热阻。这取决于所使用的散热器布局，可以通过将结与散热器之间的所有串联热阻（包括 PCB、隔热材料/TIM 等）以及散热器本身的热阻相加来计算热阻（参见图 2）。显然，需要低结至环境热阻来有效地传递MOSFET管芯的热量，并使其能够安全地传导尽可能高的电流。

总之，从电流处理的角度来看整体情况比过分关注数据手册的ID(MAX)额定值更有意义。

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