在電源設計中，越來越重視系統效率和半導體器件的結溫.
在半導體器件中，電晶體是迄今為止最重要的一類。幾乎所有的電晶體都是三引腳器件(MOSFET, BJT, IGBT)，與二極體不同，它們有一個驅動引腳，這使它們對輸入信號與功率處理之間的相互作用更加敏感。
本應用手冊旨在說明如何評估功率 MOSFET器件在開關電源中使用時的熱應力。通過計算和器件的物理特性，可以預測其結溫，以及為確保系統在運行期間具有適當的熱餘量或需要的散熱片尺寸。這種方法非常重要，因為正確的計算可以更準確地評估系統壽命，並確保在 SOA 範圍內正常運行。
1 說明
本應用手冊介紹一種評估功率MOSFET 在正常或意外工況時產生的熱應力的方法，因此首先有必要對MOSFET 結構進行一些討論。為了簡化理論方法，我們使用平面結構作為參考。如圖1，可以區分柵極、源極和漏極。這些區域很容易識別，由於它們之間的界面是所施加電壓的函數，因此其靜態和可變參數可用等效電路描述。
圖1：功率MOSFET 結構
雖然在圖1 中，柵極、源極和漏極區域很容易識別，但用固定電容值來表示它們既困難又不準確。由於外加Vds 電壓會調節耗盡層，因此電容具有可變分量，因此在等效電路中，可使用一系列固定和可變電容來模擬柵極、源極和漏極引腳的行為。這類模型完美地描述了半導體製造商在其MOSFET datasheet上展示的常規電容參數。
圖2 重點顯示了這些參數。總結並模擬了MOSFET 的寄生電容行為。
圖2：功率MOSFET 本徵電容
對MOSFET 結構的分析有助於我們理解該器件用作開關時的工作模式，進而更好地解釋其損耗。特別是，半導體製造商在其技術文檔中標明了一些在標準測量條件下的電氣參數。有了這些參數，再利用理論方法，就可以估算出MOSFET 器件用作開關時的功率損耗。
在繼續討論之前，必需指出，元器件的行為與元器件工作的電路以及負載類型（電阻、電感或電容）密切相關。
2 熱能方面的考慮
“結溫 ”一詞是在半導體熱分析的早期流行起來的，當時半導體器件已成為主要的功率技術。使用"結溫"這一概念時，假定整個晶片頂面的溫度是均勻的；換句話說，整個晶片表面的溫度是相同的。這是一種簡化方法，因為它忽略了x 軸和y 軸熱梯度始終存在的事實，並且在高功率條件下或單個晶圓有多個熱源或熱源連接時，熱梯度可能會很大。
熱分析的基本原理與電氣領域相似。可以對熱學領域和電學領域進行類比，確定單一領域的主要參數。與電路類似，可以使用電壓源、電阻和電容來模擬熱行為。這些元素以適當的方式連接起來，可用於預測和評估半導體器件的熱性能。
在深入探討細節之前，必須強調另一個非常重要的方面。在熱學研究中，不能忽略模式，因為熱量是從熱源傳遞到周圍環境的。由於本文的目的是對電子應用中使用的半導體器件進行熱概述，因此為了完成分析，還必須對熱傳遞模式進行研究。在這種特定環境中，熱傳導可歸納為對流和輻射兩種主要模式。稍後將討論這兩種熱傳輸機制。
3 熱阻Rth
如前所述，通過研究一個電氣網絡（其中包含電壓源、電阻和電容），可以對熱領域進行類比分析。
圖3：電阻與熱阻的二元性
電學領域和熱學領域都有兩個主要物理特徵：
在電學領域，電流和電勢是主要參數。電流I代表載流子從電勢為VA 的A點通過電阻R 移動到電勢為VB 的B點時,可測量到的通量，兩者之間的差值用VA-VB表示，這些物理特性之間的關係用歐姆定律表示。
公式1 ----------- ∆VAB=VA-VB = I x RAB
在熱領域也可以採用類似的方法，P表示從溫度為TA 的地方流向溫度為TB的另一個地方的熱流，阻礙流動的阻力定義為RƟAB。
熱領域符合傅立葉定律，但考慮到與電域的二元性，可以用以下公式來概括：
公式2------ ∆TAB=TA-TB = P x RƟAB
下表總結並比較了兩個領域的物理特性。
在使用半導體器件時，這種方法大大簡化了熱研究。在進行熱分析時，常見下面的示意圖：
圖4：矽結構熱模型
熱元件考慮了半導體結構的物理因素和元器件（MOSFET、IGBT、三極體）的其他物理元素。特別是，當熱量流經一個層(layer)時，我們可以通過熱流流經層的長度（厚度）、面積和熱導率之間的關係來模擬該層提供的熱阻。
公式3-----
這個公式很像電阻的定義公式，公式3在熱平衡時與實際相符，然而，當功率脈衝作用於MOS時，因材料的熱慣性不允許溫度瞬間升高（類似電容電壓不能突變）。則需要用層間熱電容函數來建模，熱電容函數由熱流穿過的層之體積(V)、比熱(cp) 和材料密度(ρ) 決定，
如公式4----
熱阻和熱容這兩個參數可以概括和描述MOS的熱特徵，通過它們，設計師可以正確描述系統的熱現象。
關於熱阻的更多內容請參考更新。
註：文中內容翻譯自ST 應用手冊AN4783 《AN4783 Thermal effects and junction temperature evaluation of Power MOSFETs》，更過內容，請訪問 www.st.com
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