功率場效應管在變換電路中的熱耗研究*

王 秀,張晉輝

(晉中學院，山西 晉中 030619)

0 引言

功率場效應管(MOSFET，又稱MOS管)是通過柵極電壓來控制流過漏極電流的電壓驅動型功率器件[1]。其特點是:①驅動電路相對較為簡單，所需的驅動功率小；②開關速度相對較快，可適應高頻工作電路[2]。但是隨著變換電路開關頻率的提高，MOS管需要承受的電流也隨之增強，與此同時會產生一定的熱量，其往往會因為散熱效果不好而損壞。因此MOS管的熱阻特性和散熱分析很重要。

本文介紹了MOS管在變換電路中的具體應用，詳細論述了MOS管的熱阻特性及熱耗分析，并進行了在MOS管上增加散熱片前、后的溫升變化對比實驗，為后續研究MOS管在變換電路中的應用提供理論依據。

1 MOS管分類及特性

MOS管的種類和結構繁多，根據導電方式的不同，分為增強型與耗盡型兩種，當柵極電壓為零時，漏源極之間存在導電溝道的稱為耗盡型MOS管，當柵極存在電壓時，漏源極之間存在導電溝道的稱為增強型MOS管[3]；按導電溝道可分為P溝道和N溝道，當柵極電壓大于0時才產生導電溝道的為N溝道MOS管 ，當柵極電壓小于0時才產生導電溝道的為P溝道MOS管。MOS管的分類及原理示意圖如圖1所示。

圖1 MOS管的分類及原理示意圖

圖2為MOS管的漏極伏安特性曲線，即輸出特性。其中，VDS為漏極擊穿電壓，iD為漏極電流，IDO為最大漏極電流，VGS為開啟電壓，VT為閾值電壓。

圖2 MOS管的漏極伏安特性曲線

2 儲能式變換電路工作機理分析

儲能式變換電路主要由變壓器T1、MOS管Q2等構成，如圖3所示。變壓器通過控制電路將低壓直流電轉換為高壓脈沖電，經高壓硅堆整流存儲在儲能電容中，以達到所需的儲存能量。

圖3 儲能式變換電路

驅動變壓器工作的振蕩信號由方波信號和限流電阻協調控制，當采集電流等于額定電流時，由比較器輸出脈沖信號，復位觸發器，將MOS管關斷，周而復始，循環工作，當控制觸發端檢測到儲能電容電壓值達到要求時，觸發放電回路，實現高位電壓按照一定頻率釋放。

3 MOS管熱阻特性分析

對于非絕緣封裝MOS管，在穩態情況下，主要有2個熱阻參數：①從結點到背板的熱阻值(Rthjc)，其是指耗散一定功率時，結溫比器件背板高出的溫度值大小[4]，假設Rthjc為2 ℃/W，當器件穩態功耗為10 W時，結溫將會高于背板20 ℃；②結點到所處環境的溫度變化，其表明當MOS管在未配備相應散熱設備時，在流通空氣中的結溫變化。在實際電路應用過程中，為了提高產品工作的可靠性，功率MOS管都會安裝到散熱器上，因此，在實際結溫分析時主要還是用到Rthjc參數。

當器件為絕緣封裝時，因為背板(安裝在硅芯片上面的金屬層)是完全壓縮在塑料中，因此無法準確測得結點到背板的溫度變化值，通常關注的是結點到配套散熱設備的Rthjc參數，其一般表現為器件與配套散熱設備的共同作用效果。

因此基于以上分析，本文主要研究非絕緣封裝MOS管。以非絕緣封裝MOS管IRFP250N為例，其主要參數如表1所示。

表1 IRFP250N參數

導熱絕緣墊傳導熱阻Rθfilm計算公式為：

Rθfilm=L/(λS).

(1)

其中：L為材料厚度；S為傳熱面積；λ為導熱系數。

電子產品熱設計時，導熱界面材料、散熱器、冷板凳多種部件的選型設計中都需要重點考慮。

選取厚度約0.23 mm的散熱片，傳熱面積約為320 mm2，導熱系數為1.5 W/(m·℃)，其傳導熱阻值Rθfilm=0.23×1 000/(1.5×320)=0.48 ℃/W。

因此，MOS管(IRFP250N)結點到散熱片的熱阻RθJS為：

RθJS=RθJC+Rθfilm=0.7+0.48=1.18 ℃/W.

(2)

4 MOS管熱耗分析

MOS管損耗一般是指導通損耗Pcnod、驅動損耗Pdr與開關損耗[5]。其中，MOS管在關斷期間消耗的功率是無功功率，儲存在MOS管的Coss上，在開通時才變為熱耗[6]，因此為方便計算，把它視為關斷損耗。MOS管損耗為：

PMOSFET=Pcnod+Pdr+PMOS_ON+PMOS_OFF.

(3)

其中：PMOS_ON和PMOS_OFF分別為MOS管在開通和關斷過程中的損耗。

通常MOS管的導通損耗所占比例最大，所以選型時盡量選取導通阻抗小的MOS管，而導通阻抗會受溫度、驅動電壓、通過的電流大小所影響，所以計算損耗時要結合實際的情況確定實際的導通損耗。

(1) 導通損耗的計算公式為：

Pcnod=IMOS_RMS2×RON.

(4)

其中：IMOS_RMS為導通過程中通過漏極的電流有效值。

(2) 驅動損耗的計算公式為：

(5)

其中：fs為器件的開關頻率。

(3) 開關損耗的計算公式為：

(6)

(7)

其中：Ion_end為開通后初值電流；Uds(on)為開通前電壓；Ioff_begin為關斷前電流；Uds(off)為關斷后電壓。

以非絕緣封裝MOS管IRFP250N為例，在搭建的儲能式變換電路中，經測得流過IRFP250N電流的峰值IP為10 A，占空比為0.5，開關頻率fs為39.8 kHz，開通后初值電流為8 A，開通前電壓為28 V，關斷前電流為10 A，關斷后電壓為90 V，則：

(8)

(9)

(10)

(11)

PMOSFET=3.75+0.049+0.085+0.442=4.326 W.

(12)

因此，MOS管到散熱器的溫升可以通過計算獲得：

ΔT=PMOSFET×RθJS=4.326×1.18=5.105 ℃.

(13)

5 增加散熱片前、后的溫升變化對比實驗

為了得到功率MOS管(IRFP250N)在高溫(125 ℃)工作時及增加散熱片后的溫升情況，采用鉑電阻(PT1000)進行溫升測試，進行對比實驗。

5.1 未加散熱片工作

將鉑電阻(PT1000)粘貼在MOS管的背面金屬部分(如圖4所示)，將整個驗證板放入高溫箱(125 ℃)，對變換電路接通不同電壓(18 V、30 V、12 V)，按照接通30 s、休息1 min的工作制式進行工作，在休息時記錄鉑電阻阻值，如表2所示。

圖4 鉑電阻安裝位置示意圖

由表2可發現: MOS管在未加散熱片情況下，最大溫升為14 ℃，最高溫度為139 ℃，小于MOS管最高結溫175 ℃。

表2 未加散熱片時的測試結果

5.2 加散熱片工作

按照MOS管裝配要求，使用螺釘及螺母將MOS管與導熱絕緣墊、散熱片、PCB板緊固，將鉑電阻(PT1000)使用DG3S固定在散熱片上，將整個驗證板放入高溫箱(125 ℃)，對變換電路接通不同電壓(18 V、30 V、12 V)，按照接通30 s、休息1 min的工作制式進行工作，在休息時記錄鉑電阻阻值，如表3所示。

表3 加散熱片時的測試結果

由表3可發現: MOS管在加散熱片情況下，最大溫升7 ℃，最高溫度為133 ℃，小于MOS管最高結溫175 ℃。

6 結語

通過對MOS管增加散熱片前后的溫升變化對比實驗，證實非絕緣封裝MOS管在增加散熱片后可有效降低器件本體的溫升，因此MOS管在使用時應選用合適的散熱器件。