耗尽型MOSFET

耗尽型MOS器件的功耗由导通功耗、关断功耗、开关功耗和驱动功耗四部分构成。在一定条件下耗尽型MOS器件所允许承受的最大功耗，是决定耗尽型MOS器件安全工作区(SOA, Safe Operation Area)的最重要因素之一，直接或间接地限定了器件的工作条件，如管壳温度、漏-源电流，工作频率等。

在一定的管壳温度T_C下，使结温T_J上升到极限温度T_J,max.（对于硅基半导体器件，其典型值为150℃或175℃）时的功耗为额定功耗P_D。Datasheet中一般会给出T_C=25℃时的额定功耗。

在一定的管壳温度T_C下，使结温T_J上升到极限温度T_J,max.时导通状态的漏-源连续电流为额定电流I_D。Datasheet中一般会给出T_C=25℃时的额定电流。

额定功耗P_D与额定电流I_D两者关系服从焦耳定律

 (1)

其中，R_DS(ON),max.(T_J)为结温为T_J时器件导通电阻的最大值，其可以根据Datasheet中提供的温度曲线“Typical Drain-to-Source On Resistance vs. Junction Temperature”求出，如图1所示。

图1. Typical Drain-to-Source On Resistance vs. Junction Temperature

1. 额定功耗的计算

当管壳温度为T_C时，MOS器件的额定功耗P_D可以采用以下两种方式进行计算：

1）通过Datasheet中所提供的MOS器件的结-管壳(Junction-to-Case)之间的热阻R_θJC以及极限结温T_J,max.进行计算：

(2)

2）设T_C=25℃时MOS器件的极限功耗为P_D0，则当管壳温度T_C＞25℃时，利用功耗降额因子(Power Derating Factor)，可得：

(3)

2. 额定电流的计算

当管壳温度为T_C时，MOS器件的额定电流I_D可利用公式（1）计算：

(4)

3. 现场应用中MOS器件的功耗

现场应用中，MOS器件的驱动功耗可以忽略不计。考虑到MOS器件电流波形和电压波形的多样性， MOS器件的功耗可直接利用积分：

(5)

用示波器检测MOS器件的漏极电流i(t)和漏-源电压v(t)，再作数值积分即可得到。为了防止器件过热而损坏，要求：

(6)

4. 现场应用中MOS器件的电流

在开关电源中，通过MOS器件的电流一般为断续的三角波或方波等。从理论上讲，为了防止器件过热而损坏，要求：

(7)

但保守地，为了防止器件因过流而进入饱和区，一般要求：

(8)

5. MOS器件结温的计算

MOS器件的结温T_J不易直接测量，但通过测量MOS器件的管壳温度T_C和现场应用中MOS器件的功耗P_D,Field,可间接地推算出

(9)

为了防止器件过热而损坏，要求：

(10)

在以上不等式(5)(7)(8)(10)所描述的约束条件中，不等式(10)是最根本和最原始的约束，其他约束条件均是基于此进行的衍生。此外，考虑到实际应用环境的多样性和复杂性，所有约束条件均要求留有足够的余量。

6. 风冷和散热器的作用

由式（2）可看出，管壳温度T_C越低，器件的额定功耗和额定电流越大，在同等应用条件下，器件的热安全区越大。因此，降低器件的管壳温度，可以显著地改善器件的热-电特性。

(11)

其中，R_θCA为管壳-空气(Case-to-Ambient)的热阻。管壳上的热量主要是通过空气对流和热辐射的方式传导出去，因此：

风冷可以加强空气对流强度，有效地降低R_θCA，从而降低管壳温度T_C。

散热器可以增加热辐射面积，有效地降低_RθCA，从而降低管壳温度T_C。