功率场效应管在变换电路中的热耗研究*

2022-06-24张晋辉

机械工程与自动化 2022年3期

王秀,张晋辉

(晋中学院，山西晋中 030619)

0 引言

功率场效应管(MOSFET，又称MOS管)是通过栅极电压来控制流过漏极电流的电压驱动型功率器件[1]。其特点是:①驱动电路相对较为简单，所需的驱动功率小；②开关速度相对较快，可适应高频工作电路[2]。但是随着变换电路开关频率的提高，MOS管需要承受的电流也随之增强，与此同时会产生一定的热量，其往往会因为散热效果不好而损坏。因此MOS管的热阻特性和散热分析很重要。

本文介绍了MOS管在变换电路中的具体应用，详细论述了MOS管的热阻特性及热耗分析，并进行了在MOS管上增加散热片前、后的温升变化对比实验，为后续研究MOS管在变换电路中的应用提供理论依据。

1 MOS管分类及特性

MOS管的种类和结构繁多，根据导电方式的不同，分为增强型与耗尽型两种，当栅极电压为零时，漏源极之间存在导电沟道的称为耗尽型MOS管，当栅极存在电压时，漏源极之间存在导电沟道的称为增强型MOS管[3]；按导电沟道可分为P沟道和N沟道，当栅极电压大于0时才产生导电沟道的为N沟道MOS管，当栅极电压小于0时才产生导电沟道的为P沟道MOS管。MOS管的分类及原理示意图如图1所示。

图1 MOS管的分类及原理示意图

图2为MOS管的漏极伏安特性曲线，即输出特性。其中，VDS为漏极击穿电压，iD为漏极电流，IDO为最大漏极电流，VGS为开启电压，VT为阈值电压。

图2 MOS管的漏极伏安特性曲线

2 储能式变换电路工作机理分析

储能式变换电路主要由变压器T1、MOS管Q2等构成，如图3所示。变压器通过控制电路将低压直流电转换为高压脉冲电，经高压硅堆整流存储在储能电容中，以达到所需的储存能量。

图3 储能式变换电路

驱动变压器工作的振荡信号由方波信号和限流电阻协调控制，当采集电流等于额定电流时，由比较器输出脉冲信号，复位触发器，将MOS管关断，周而复始，循环工作，当控制触发端检测到储能电容电压值达到要求时，触发放电回路，实现高位电压按照一定频率释放。

3 MOS管热阻特性分析

对于非绝缘封装MOS管，在稳态情况下，主要有2个热阻参数：①从结点到背板的热阻值(Rthjc)，其是指耗散一定功率时，结温比器件背板高出的温度值大小[4]，假设Rthjc为2 ℃/W，当器件稳态功耗为10 W时，结温将会高于背板20 ℃；②结点到所处环境的温度变化，其表明当MOS管在未配备相应散热设备时，在流通空气中的结温变化。在实际电路应用过程中，为了提高产品工作的可靠性，功率MOS管都会安装到散热器上，因此，在实际结温分析时主要还是用到Rthjc参数。

当器件为绝缘封装时，因为背板(安装在硅芯片上面的金属层)是完全压缩在塑料中，因此无法准确测得结点到背板的温度变化值，通常关注的是结点到配套散热设备的Rthjc参数，其一般表现为器件与配套散热设备的共同作用效果。

因此基于以上分析，本文主要研究非绝缘封装MOS管。以非绝缘封装MOS管IRFP250N为例，其主要参数如表1所示。

表1 IRFP250N参数

导热绝缘垫传导热阻Rθfilm计算公式为：

Rθfilm=L/(λS).

(1)

其中：L为材料厚度；S为传热面积；λ为导热系数。

电子产品热设计时，导热界面材料、散热器、冷板凳多种部件的选型设计中都需要重点考虑。

选取厚度约0.23 mm的散热片，传热面积约为320 mm2，导热系数为1.5 W/(m·℃)，其传导热阻值Rθfilm=0.23×1 000/(1.5×320)=0.48 ℃/W。

因此，MOS管(IRFP250N)结点到散热片的热阻RθJS为：

RθJS=RθJC+Rθfilm=0.7+0.48=1.18 ℃/W.

(2)

4 MOS管热耗分析

MOS管损耗一般是指导通损耗Pcnod、驱动损耗Pdr与开关损耗[5]。其中，MOS管在关断期间消耗的功率是无功功率，储存在MOS管的Coss上，在开通时才变为热耗[6]，因此为方便计算，把它视为关断损耗。MOS管损耗为：

PMOSFET=Pcnod+Pdr+PMOS_ON+PMOS_OFF.

(3)

其中：PMOS_ON和PMOS_OFF分别为MOS管在开通和关断过程中的损耗。

通常MOS管的导通损耗所占比例最大，所以选型时尽量选取导通阻抗小的MOS管，而导通阻抗会受温度、驱动电压、通过的电流大小所影响，所以计算损耗时要结合实际的情况确定实际的导通损耗。

(1) 导通损耗的计算公式为：

Pcnod=IMOS_RMS2×RON.

(4)

其中：IMOS_RMS为导通过程中通过漏极的电流有效值。

(2) 驱动损耗的计算公式为：

(5)

其中：fs为器件的开关频率。

(3) 开关损耗的计算公式为：

(6)

(7)

其中：Ion_end为开通后初值电流；Uds(on)为开通前电压；Ioff_begin为关断前电流；Uds(off)为关断后电压。

以非绝缘封装MOS管IRFP250N为例，在搭建的储能式变换电路中，经测得流过IRFP250N电流的峰值IP为10 A，占空比为0.5，开关频率fs为39.8 kHz，开通后初值电流为8 A，开通前电压为28 V，关断前电流为10 A，关断后电压为90 V，则：

(8)

(9)

(10)

(11)

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

(12)

因此，MOS管到散热器的温升可以通过计算获得：

ΔT=PMOSFET×RθJS=4.326×1.18=5.105 ℃.

(13)

5 增加散热片前、后的温升变化对比实验

为了得到功率MOS管(IRFP250N)在高温(125 ℃)工作时及增加散热片后的温升情况，采用铂电阻(PT1000)进行温升测试，进行对比实验。

5.1 未加散热片工作

将铂电阻(PT1000)粘贴在MOS管的背面金属部分(如图4所示)，将整个验证板放入高温箱(125 ℃)，对变换电路接通不同电压(18 V、30 V、12 V)，按照接通30 s、休息1 min的工作制式进行工作，在休息时记录铂电阻阻值，如表2所示。

图4 铂电阻安装位置示意图

由表2可发现: MOS管在未加散热片情况下，最大温升为14 ℃，最高温度为139 ℃，小于MOS管最高结温175 ℃。

表2 未加散热片时的测试结果

5.2 加散热片工作

按照MOS管装配要求，使用螺钉及螺母将MOS管与导热绝缘垫、散热片、PCB板紧固，将铂电阻(PT1000)使用DG3S固定在散热片上，将整个验证板放入高温箱(125 ℃)，对变换电路接通不同电压(18 V、30 V、12 V)，按照接通30 s、休息1 min的工作制式进行工作，在休息时记录铂电阻阻值，如表3所示。