1、什么是电流额定值@@@@@@？
电气设备@@@@（如@@断路器@@@@，电机或@@变压器@@）的电流额定值@@@@@@，是指在某个电流下@@，器件本身达到@@的温度可能损害器件可靠性和@@功能时@@的电流值@@@@。制造商虽然知道器件材料的温度限值@@@@，但是他并不知道使用器件时@@的环境@@温度@@@@。因此@@，他只能假设环境@@温度@@@@。这就带来了两种后果@@：
电气设备@@@@（如@@电机@@，断路器@@）的电流额定值@@@@@@由各种协议和@@法规规定@@。其它器件@@，如@@变压器@@，电阻和@@半导体的电流额定值@@@@@@都在数据手册中进行了定义@@。因此@@，用户必须核实器件能否在以下条件运行@@：
为了核实这@@3个要素@@，用户必须进行@@“热设计@@”。这可以是一项简单的工作@@，或@@者是通过复杂的有限元分析得出结@@论@@。
此时@@@@，精明的读者会意识到@@当他做热设计@@时@@@@，就能找出实际应用中器件的电流额定值@@@@@@@@，而不需要制造商所提供的电流额定值@@@@@@@@。制造商提供的各个电流额定值@@@@仅用于表明器件的能力@@，并缩小选择范围@@。
2、功率@@半导体@@电流额定值@@@@@@
热设计@@对功率@@半导体@@非常重要@@，原因如@@下@@：
因此@@，功率@@半导体@@必须进行散热处理@@，且设计者须负责选择散热器@@或@@其它冷却方法@@，即进行@@“热设计@@”。
3、不间断电流额定值@@@@@@
典型的功率@@半导体@@数据手册包含了一个或@@多个@@“不间断电流额定值@@@@@@”，通常@@由曲线图@@补充@@，如@@图@@@@1所示@@。这是基于以下假设@@：
图@@ 1.在器件封装所允许的限值@@范围内时@@@@，不间断电流额定值@@@@@@与壳@@温之间的函数关系@@(IRLS3036PBF)
在以上假设下@@，计算热值@@的方程式可简化为@@：
由于@@器件制造商事先不知道使用器件时@@的热环境@@@@，因此@@他将管壳@@温度用作参考点得出了电流额定值@@@@@@。
然而@@，在实际应用中@@，需考虑整个热系统@@，因此@@以上简化方程式转变为@@：
其中@@：
TJ= 结@@温@@
TA= 环境@@温度@@
RthJ-C= 结@@到@@壳@@热阻抗@@
RthC-S = 壳@@到@@散热器@@热阻抗@@
RthS-A= 散热器@@到@@环境@@热阻抗@@
PAV= 平均@@功率@@耗散@@
通常@@，可利用以上公式计算出半导体的不间断电流额定值@@@@@@@@。MOSFET有一个独特的特性@@：电流和@@功率@@耗散呈平方关系@@。因此@@，通过下列公式就可计算出电流额定值@@@@@@：
其中@@RDS(on)是在额定@@TJmax时@@的导通电阻@@。RthJC 是内部结@@到@@壳@@热阻抗@@最大值@@@@，Tc是管壳@@温度@@。其它功率@@器件的电流和@@功率@@耗散是非线性的关系@@，因此@@必须通过迭代过程确定其电流额定值@@@@@@。
在大多数应用中@@，功率@@半导体@@的管壳@@温度高于@@80ºC。因此@@，功率@@器件的可用不间断直流电流适用于@@80°和@@110°C之间的任意管壳@@温度@@。这样@@，管壳@@温度和@@环境@@温度@@之间有了足够的差距@@，散热器@@就能处理热传递@@。25°C电流额定值@@@@是第@@一代双极晶体管@@JEDEC遗留下来的标准值@@@@。
低压@@MOSFET技术@@的进步降低了传导损耗@@，使得封装成为不间断电流额定值@@@@@@的限制因素@@。图@@1描述了这一点@@。
4、开关@@模式操作中的电流能力@@
前述讨论的不间断电流额定值@@@@@@只作为一个比较基准@@，给设计者带来的直接用途很有限@@，原因如@@下@@：
只要第@@三节描述@@的@@第@@@@2种情况和@@第@@@@3种情况有效@@，我们就可以使用基本的热值@@方程式计算出结@@温@@@@。此时@@@@假定我们已知系统的功率@@耗散和@@热阻抗@@。
通常@@将功率@@耗散分成@@2部分@@：传导损耗和@@开关@@损耗@@。功率@@MOSFET里的传导损耗计算方法为@@Irms2 x RDS(on)。不同波形的@@RMS内容可在附录@@中找到@@@@。开关@@损耗可通过开关@@波形@@，栅极电荷或@@分析方法计算出@@。IGBT的传导损耗和@@开关@@损耗@@计算方法更为复杂@@。
第@@3节基本方程式中的功率@@指@@“平均@@”功率@@，且只要操作频率相对于系统热惯量高@@，结@@果就有效@@。随着操作频率上升@@，结@@的热质量消除瞬时@@温度波动@@，且结@@更多地对平均@@功率@@损耗做出响应@@，而不是峰值@@功率@@损耗@@。频率高于几千赫兹@@，且占空比大于@@20％时@@，逐周期温度波动缩小@@，且峰值@@结@@温@@上升等于平均@@功率@@耗散@@乘以@@DC结@@至壳@@热阻抗@@，误差在一个或@@两个百分点内@@。
当操作频率很低时@@@@（几十赫兹@@)，必须计算温度纹波@@。下面将要讨论的瞬态热阻抗@@曲线@@描述了在低频操作时@@如@@何计算温度纹波@@。
5、脉冲条件下的结@@温@@@@
在脉冲条件下@@，第@@3节描述@@的@@3个假设不再有效@@：
计算结@@温@@的正确方法需考虑热流的三维性质@@，如@@图@@@@2所示@@。通常@@通过有限元分析完成它@@。由于@@导通电阻和@@温度成函数关系@@，功率@@耗散会随着时@@间增加@@，且在分析中必须考虑采用合理的功率@@半导体@@电气模型@@。
图@@ 2.由于@@热量流向三个维度@@，因此@@“结@@温@@”只是一个粗略估算值@@@@。结@@和@@热系统剩余部分@@的不同点温度不同@@。
在很多应用中@@，结@@温@@估算值@@就已足够@@。此时@@@@，有两种方法可以得出该估算值@@@@，具体如@@下@@：
瞬态热阻抗@@
瞬态热阻抗@@（或@@者更准确地说@@，叫热响应曲线@@）如@@图@@@@3所示@@，且在所有的数据手册中可以查看@@。
图@@3. 瞬态热阻抗@@曲线@@。请注意这是@@SPICE仿真的热参数@@(IRLS3036PBF)。
该曲线提供了给定时@@段内@@（x轴@@）浪涌的热反应系数@@@@（y轴@@）。如@@上图@@所示@@@@，热反应系数@@（或@@热阻抗@@）与导通时@@间@@t内的功率@@耗散@@（即导通脉冲内的功率@@@@，而非整个周期内的平均@@功率@@@@）相乘得出重复性结@@到@@壳@@温峰值@@的上升值@@@@。功率@@耗散则可通过浪涌期间器件两端的电压和@@电流计算出@@。
请注意对于长脉冲@@（在图@@@@3中约@@10ms），热反应与热阻抗相等@@。
在有些数据手册中@@，热反应系数@@归一化为@@1。这意味着该系数需进一步与数据手册里的热阻抗相乘@@。
瞬态热响应曲线假定恒定的管壳@@温度@@。这通常@@对短于@@1到@@5ms的脉冲有效@@，具体脉冲长度取决于封装的热质量@@。对于更长的浪涌脉冲@@，壳@@温开始上升@@，结@@果就不是那么准确了@@。在空气中或@@@@PQFN封装下操作@@，壳@@温最多上升@@1毫秒@@，该曲线不提供有用的信息@@。在这些情况下@@，必须采用有限元分析模拟整个热系统@@。
对于大多数应用@@（短脉冲和@@显著热质量@@），如@@第@@@@3节描述@@，由于@@TC主要取决于平均@@功率@@耗散@@@@，因此@@它是可计算的@@。在稳态工作条件下@@，将温度纹波叠加到@@平均@@管壳@@温度@@，得到@@峰值@@结@@温@@绝对值@@@@。
当结@@温@@里的纹波很明显时@@@@，瞬态热阻抗@@曲线@@可用于计算重复率极低的功率@@脉冲的峰值@@温度@@。合理的热响应发生在@@x轴@@上的脉冲宽度与适当占空比曲线交叉处@@。如@@上所述@@，热响应系数必须与脉冲期间的功率@@耗散相乘@@，然后再叠加到@@管壳@@温度@@。
附录@@ 确定波形@@ID的均方根值@@@@（RMS)
MOSFET传导损耗与@@RMS漏电流的平方成比例@@。电流波形很少是简单的正弦曲线或@@矩形@@，这可能在计算@@IRMS的值@@时@@产生一些问题@@。对于那些可被分割成若干段@@，且能分段计算出其@@RMS值@@的波形@@，可通过下列等式和@@步骤确定它们的@@IRMS。
通过下列公式可计算出任意波形的@@RMS值@@
下图@@显示了多个简单的波形@@，以及代入上面的等式可计算出@@IRMS的公式@@。
如@@果将下面各个图@@中的波形进行组合可以得出大致令人满意的实际波形@@，则可通过下列公式计算出波形的@@RMS值@@：
两个波形不同时@@等于@@0时@@，以上内容成立@@。
文章来源@@： 英飞凌汽车电子@@生态圈@@