功率电路中MOSFET的热研究

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1、元器件Elements功率电路中MOSFET的热研究HeatStudyonMOSFETinPowerCircuit武凯，李磊WuKai,LiLei南京理工大学（南京，210094）NanjingUniversityofScienceandTechnology（Nanjing,210094）摘要：MOSFET通常工作在高频低压大电流的条件下，在其工作过程中会产生大量的热量，而过多的热量会直接影响到MOSFET的性能。因此，针对MOSFET工作时的热分析就显得十分重要。热仿真通常用于对实验的预测和指导。本文，首先介

2、绍热传导的相关理论，并基于MOSFET模块构建相关的热模型，帮助完成热分析；最后，将实验结果和仿真结果进行对比，验证了热仿真的可行性和可靠性。关键字：功率MOSFET热模型热仿真Abstract:MOSFETUsuallyworksinconditionoflowvoltage,highcurrentandhighfrequency.LotsofheatisgeneratedduringoperationandtoomuchheatwillimpactMOSFETperformancedirectly.Soth

3、ermalanalysisissignificantforMOSFETsafeoperation.Thermalsimulationisusedforpredictionandinstructionofactualexperiment.Inthispaper,thermalconductiontheoryisintroducedandthermalmodelwhichdependsonMOSFETmoduleisbuilttohelptorealizethermalanalysis.Bycomparingthe

4、resultofexperimentandsimulation,thefeasibilityandreliabilityofthermalsimulationisverified.Keywords:PowerMOSFET,Thermalmodel,Thermalsimulation.［中图分类号］TN86［文献标识码］A文章编号：1561-0349（2015）11-0029-051引言（1）热传递机制由于技术和工艺水平的进步，诸如MOSFET一类的功率热传递指的是由于物体之间温度的差异，而导致能量从开关可以工作

5、在更高的频率，并且可以集成为更小的模块。高温部分向低温部分转移的现象。热传递包括3种方式：热然而，伴随着更高的工作频率和更小的体积，MOSFET会产传导、热对流和热辐射。热传导指的是热量在两种物体之间生更多的热量，这些热量会导致MOSFET的工作温度上升，交换，这两种物体是贴合在一起的或者在某中导热介质之中；进而影响到MOSFET的性能和使用寿命，甚至整个系统的效热对流指的是气体或者液体在流动过程中，从温度较高处向温度较低处放热的现象；热辐射指的是能量以电磁波的形式率。因此，为了控制温升和减少热损耗，要解决产生

6、的多余传递热量。对于MOSFET等功率开关来说，热传导是热量传热量。递过程中的主要方式。因此，为了确保在MOSFET在工作期通过实验的方式可以准确地测量温度和热损耗，但是实间温度不会上升的太快，针对热耗散的结构设计和连接方式验需要消耗大量的时间和配备相应的设备，不是一种经济的就显得特别重要。正因为如此，在选择导热材料时，材料的方式。而仿真可以简单迅速的对结果进行预测，帮助分析温热传导和热扩散系数就尤为重要，材料本身的传导系数越大，升和热损耗，从而对实验具有指导作用。本文首先详述热传不同材料之间的热扩散系数差别越

7、小，越有利于热量的扩散。导的相关理论，并基于功率模块构建了热模型，根据热模型（2）热传导理论设计了热仿真，最后通过引入实验论证热仿真的可行性。图1中的理想导热板，用于帮助分析热传导理论。假设2热模型理论导热板的厚度为d，导热板上下两个表面的温度分别为T1和电源世界2015/11

8、29元器件ElementsT2。在t的时间长度内，由上到下流经导热板的热量为Q，而1－e－tT(t)=Tmax*(Rth*Cth)(7)热量Q正比于热梯度系数(T1-T2)/d。图2所示是功率模块的两种安装方式：基板安装和无基板安装，两

9、种安装方式的区别在于：DCB层是否直接安装在散热器上。图1热传导模型因此，热量Q的表达式为：T－T12Q=λAt(1)*d*其中：λ是热传导系数，A是上下表面的面积。在热传导模型中，热阻和热容是两个与热量传递相关的重要参数。热阻体现的是介质阻碍热传导的能力，它会影响图2功率模块安装图到温度的最终值。在热传导中，热阻的表达式为：如果DCB先安装在基板上，再安装到散热器上，那么，dRth=