MOSFET热阻是怎么测的？

MOSFET热阻测试方法分享
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#硬件 #测试工程师 #硬件工程

本文详细介绍了如何测量MOSFET的热阻，包括准备工作、正式测量步骤以及计算不同类型的热阻。通过实测数据绘制折线图，用于反查MOSFET的结温，为理解和优化硬件设计提供实用方法。

根据我实测的经验，MOSFET规格书上的热阻（对于TO247封装是50℃/W）通常会标的比较大，给的余量比较多，这使得温升预测会大幅超过实际温升。本文分享MOSFET热阻测试方法，有助于大家理解热阻概念，也可以用于测试不同运行条件下的热阻。

准备工作：

MOSFET安装在1平方英尺的FR4板上，在温箱中达到T1摄氏度的热平衡，体二极管通入10mA的电流，测量此时的导通压降Vf1。如此测试T2温度下的Vf2，以此类推得到表格

T1 T2 T3 ...
Vf1 Vf2 Vf3 ...

由此可以画出折线图类似如下图

此图稍后会用于通过Vf反查询MOSFET结温junction temperature

正式测量：

在静态无风环境中，在MOSFET的壳case上贴上热电偶用于测量case的温度Tc，放置另一热电偶于环境中用于测量环温Ta。MOSFET的体二极管中通入If的电流（TO247封装可用2-3A，小封装用小电流）直到MOSFET温升稳定，测量体二极管导通压降Vf（直接在引脚测量更准，因为导线会有压降），那么P=If*Vf就是MOSFET上损耗的功率。MOSFET温升稳定后我们测量得到Ta，Tc和P，然后在10us内完成如下动作：将If减小到10mA然后测

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<think>我们正在讨论如何通过热阻参数计算MOSFET的散热需求。根据用户提供的引用和之前的问题，我们需要详细解释热阻参数的含义以及如何用它们来计算散热需求。 热阻是热量传递过程中遇到的阻力，类似于电阻在电路中的作用。对于MOSFET，常见的热阻参数包括： - $R_{\theta JC}$：结到壳的热阻（从芯片结到封装外壳） - $R_{\theta JA}$：结到环境的热阻（从芯片结到周围环境） - $R_{\theta CA}$：壳到环境的热阻（从封装外壳到周围环境） 这些热阻之间的关系为：$R_{\theta JA} = R_{\theta JC} + R_{\theta CA}$ 计算散热需求的基本公式是热路中的欧姆定律：温度差 = 热阻 × 功耗。 即：$$\Delta T = R_{\theta} \times P$$ 其中，$\Delta T$是温差，$R_{\theta}$是热阻，$P$是功率损耗。 对于MOSFET，我们需要确保结温$T_j$不超过最大允许结温（通常为150°C或175°C）。因此，计算的核心是： $$T_j = T_a + R_{\theta JA} \times P_{total} \leq T_{j(max)}$$ 其中： $T_a$：环境温度（°C） $P_{total}$：MOSFET的总功率损耗（W） $T_{j(max)}$：最大允许结温（°C） 但是，在实际散热设计中，我们常常需要考虑散热器或者PCB的散热能力。如果我们使用散热器，那么热阻链会发生变化。 另外，从引用[1]中我们得到一个例子：MOSFET产生的热量为3.3W，从结到环境的热阻路径包括：结到壳、壳到焊盘、焊盘到PCB、PCB到环境。这个热量导致结温升高。 计算步骤： 1. 确定总功率损耗$P_{total}$：包括导通损耗和开关损耗。 导通损耗：$P_{cond} = I_{rms}^2 \times R_{DS(on)}$ 开关损耗：$P_{sw} = f_{sw} \times (E_{on} + E_{off})$ 总损耗：$P_{total} = P_{cond} + P_{sw}$ 2. 确定热阻路径： - 如果使用散热器，则热阻路径可能是：$R_{\theta JC}$（结到壳） + $R_{\theta CS}$（壳到散热器） + $R_{\theta SA}$（散热器到环境）。这时，总热阻$R_{\theta JA} = R_{\theta JC} + R_{\theta CS} + R_{\theta SA}$。 - 如果没有散热器，则依赖PCB散热，热阻为$R_{\theta JA}$（通常数据手册会给出在特定PCB条件下的值）。 3. 计算结温： $$T_j = T_a + R_{\theta JA} \times P_{total}$$ 4. 验证：$T_j \leq T_{j(max)}$，如果不满足，则需要降低热阻（如加强散热）或降低功耗。 5. 散热需求：如果我们希望将结温控制在安全范围内，那么最大允许的$R_{\theta JA}$可以通过下式计算： $$R_{\theta JA(max)} = \frac{T_{j(max)} - T_a}{P_{total}}$$ 然后根据这个最大允许热阻来设计散热方案（选择散热器、优化PCB散热等）。 引用[2]提到了瞬态双界面法（TDIM）测试，这是一种测量热阻的方法，尤其是可以分离出$R_{\theta JC}$和界面热阻。这对于精确的热设计很重要，因为界面材料（如导热硅脂）的热阻也会显著影响整体散热性能。 举个例子： 假设： $T_{j(max)} = 150^{\circ}C$ $T_a = 50^{\circ}C$ $P_{total} = 10W$ 数据手册给出$R_{\theta JC} = 1.0^{\circ}C/W$ 我们使用散热器，且已知$R_{\theta CS} = 0.5^{\circ}C/W$（包括导热界面材料的热阻），散热器到环境的热阻$R_{\theta SA} = 2.0^{\circ}C/W$ 则总热阻：$R_{\theta JA} = 1.0 + 0.5 + 2.0 = 3.5^{\circ}C/W$ 实际结温：$T_j = 50 + 3.5 \times 10 = 50 + 35 = 85^{\circ}C < 150^{\circ}C$，满足要求。 如果没有散热器，依赖PCB散热，假设数据手册给出的$R_{\theta JA}$为$50^{\circ}C/W$（在1平方英寸铜箔的PCB上），则： $T_j = 50 + 50 \times 10 = 550^{\circ}C$，这显然超过了150°C，因此必须加散热器。 因此，通过热阻参数，我们可以计算MOSFET的散热需求，并据此设计散热方案。 总结步骤： 1. 计算总功耗$P_{total}$ 2. 确定散热路径和热阻（根据实际散热条件） 3. 计算结温$T_j$，并验证是否小于$T_{j(max)}$ 4. 如果不满足，则重新设计散热（降低热阻）或降低功耗（如选择更低$R_{DS(on)}$的器件、降低开关频率等） 生成相关问题： 1. 如何准确测量或获取MOSFET的热阻参数？ 2. 在设计散热器时，如何选择合适的热阻？ 3. 如何降低MOSFET的功率损耗？ 注意：根据用户要求，我们在回答中引用的部分要加上引用标识。这里引用了用户提供的引用[1]和[2]，但要注意引用[1]是一个例子，引用[2]是TDIM测试方法，我们可以适当引用这些内容。 </think>### MOSFET散热需求计算详解 #### 1. 热阻参数核心概念 - **$R_{\theta JC}$（结到壳热阻）**：芯片结温($T_j$)与封装外壳温度($T_c$)间的热阻，由器件物理结构决定： $$T_j - T_c = R_{\theta JC} \times P_{loss}$$ 例如：$R_{\theta JC}=1.5^{\circ}C/W$表示每瓦功耗产生1.5℃温差[^1]。 - **$R_{\theta JA}$（结到环境热阻）**：结温与环境温度($T_a$)间的总热阻，包含散热路径： $$T_j = T_a + (R_{\theta JC} + R_{\theta CH} + R_{\theta HA}) \times P_{loss}$$ 其中$R_{\theta CH}$为壳到散热器热阻，$R_{\theta HA}$为散热器到环境热阻[^2]。 --- #### 2. 散热需求计算步骤 **步骤1：计算总功率损耗** 包含导通损耗与开关损耗： $$P_{total} = I_{RMS}^2 \times R_{DS(on)} + f_{sw} \times (E_{on} + E_{off})$$ *示例*：若$I_{RMS}=5A$, $R_{DS(on)}=0.02\Omega$, $f_{sw}=100kHz$, $E_{on}+E_{off}=10\mu J$，则： $$P_{total} = 25 \times 0.02 + 10^5 \times 10^{-5} = 0.5 + 1 = 1.5W$$ **步骤2：确定热阻路径** - **无散热器**：直接使用$R_{\theta JA}$（依赖PCB散热） $$T_j = T_a + R_{\theta JA} \times P_{total}$$ - **有散热器**：需计算复合热阻 $$T_j = T_a + (R_{\theta JC} + R_{\theta CS} + R_{\theta SA}) \times P_{total}$$ 其中$R_{\theta CS}$为壳-散热器界面热阻（含导热硅脂），$R_{\theta SA}$为散热器热阻[^2]。 **步骤3：验算结温安全裕度** 要求：$$T_j = T_a + P_{total} \times \sum R_\theta < T_{j(max)}$$ *示例*：$T_a=60^{\circ}C$, $P_{total}=3.3W$, $R_{\theta JC}=1.2^{\circ}C/W$, $R_{\theta JA}=40^{\circ}C/W$（无散热器）： $$T_j = 60 + 3.3 \times 40 = 192^{\circ}C > 150^{\circ}C \text{（危险）}$$ 需添加散热器使$\sum R_\theta < \frac{150-60}{3.3} \approx 27^{\circ}C/W$。 --- #### 3. 热设计优化方法 - **降低界面热阻**： - 使用高导热硅脂（$R_{\theta CS} < 0.5^{\circ}C/W$） - 确保散热器平整度（平面度<0.05mm） - **散热器选型**： - 根据需求$R_{\theta SA} = \frac{T_{j(max)} - T_a}{P_{total}} - (R_{\theta JC} + R_{\theta CS})$ - **PCB优化**： - 采用2oz铜厚+散热过孔阵列 - 最小散热铜箔面积：$A_{min}=\frac{P_{total}}{I_o^2 \times R_{copper}}$（$I_o$为载流能力） #### 4. 测量验证技术 - **瞬态双界面法(TDIM)**： 通过对比不同界面材料的热响应曲线，精确分离$R_{\theta JC}$与界面热阻（精度±5%）[^2]。 ```mermaid graph LR A[加热功率] --> B[器件结温] B --> C{TIM1界面} B --> D{TIM2界面} C --> E[温度曲线1] D --> F[温度曲线2] E & F --> G[计算RthJC] ``` ---
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