半导体热阻问题详解

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1、半导体热阻问题详解晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系为：Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja下图是等效热路图：公式中，Ta表示环境温度，Tj表示晶体管的结温，P表示功耗，Rjc表示结壳间的热阻，Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，Rsa表示散热器与环境间的热阻。Rja表示结与环境间的热阻。当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta，晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc

2、及(或)Rja等参数。一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。代入公式Tc=Tj-P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。一般芯片最大允许结温是确定的。所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子Tc=2

3、5℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。我们可以用公式来验证这个结论。假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。把此时的条件代入公式Tc=Tj-P*Rjc得出：Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。公式变为：Tj=Tc+P*Rjc同样以2N5551为例。假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60℃，那么，Tj=60+1.2*8

4、3.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了！按照降额0.012W/℃的原则，60℃时的降额为(60-25)*0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是说，壳温60℃时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温。假设规格书没有给出Rjc的值，可以如此计算：Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，那么一般硅管的Tj最大为150℃。同样以2N5551为例。知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式：Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W，恰好等于规格书给出的实际热阻。如果厂家没有给出25℃时的功率。

5、那么可以自己加一定的功率加到使其壳温达到允许的最大壳温时（比如民品级的器件为70℃），再把数据代入：Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P。有给Tj最好，没有时，一般硅管的Tj取150℃。我还要作一下补充说明。一、可以把半导体器件分为功率器件和小功率器件。1、(大)功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其外壳到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175℃。但是为了保险起见，一律可以按150℃来计算。适用公式：Ta=Tc=Tj-P*Rjc。设计时，Tj最

6、大值为150℃，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。2、小功率半导体器件，比如小功率晶体管，小功率IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻。（Rja=Rjc+Rca)。同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温Tc=25℃时取得的。假设此时环境温度恰好是25℃，又要消耗1.5W的功率，还要保证壳温也是25℃，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。

7、所以，不带散热器的小功率半导体器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出Rja这个参数。2N5551的Rja厂家给的值是200℃/W。已知其最高结温是150℃，环境温度为25℃时，求允许的功耗，可以把上述数据代入Ta=Tj-P*Rja,得:25=150-P*200,从而得到，P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W。因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据是在焊接到规定的焊