半導體熱阻問題深度解析(Tc,Ta,Tj,Pc)
本文是將我之前的《有關熱阻問題》的文章從新梳理，按更嚴密的邏輯來說解。測試
Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rjaurl
下圖是等效熱路圖：spa
公式中，Ta表示環境溫度，Tj表示晶體管的結溫， P表示功耗，Rjc表示結殼間的熱阻，Rcs表示晶體管外殼與散熱器間的熱阻，Rsa表示散熱器與環境間的熱阻。Rja表示結與環境間的熱阻。.net
當功率晶體管的散熱片足夠大並且接觸足夠良好時，殼溫Tc=Ta，晶體管外殼與環境間的熱阻Rca=Rcs+Rsa=0。此時 Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。設計
廠家規格書通常會給出，最大容許功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等參數。通常Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃時的最大容許功耗。當使用溫度大於25℃時，會有一個降額指標。get
以ON公司的爲例三級管2N5551舉個實例：產品
2N5551規格書中給出殼溫Tc=25℃時的最大容許功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。it
代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3能夠從中推出最大容許結溫Tj爲150度。通常芯片最大容許結溫是肯定的。io
因此，2N5551的容許殼溫與容許功耗之間的關係爲：Tc=150-P*83.3。好比，假設管子的功耗爲1W，那麼，容許的殼溫Tc=150-1*83.3=66.7度。
注意，此管子Tc =25℃時的最大容許功耗是1.5W，若是殼溫高於25℃,功率就要降額使用。規格書中給出的降額爲12mW/度(0.012W/度）。咱們能夠用公式來驗證這個結論。假設殼溫爲Tc，那麼，功率降額爲0.012*(Tc-25)。則此時最大總功耗爲1.5-0.012*(Tc-25)。把此時的條件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：
Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。
通常狀況下沒辦法測Tj，能夠通過測Tc的方法來估算Tj。公式變爲：
Tj=Tc+P*Rjc
一樣以2N5551爲例。假設實際使用功率爲1.2W，測得殼溫爲60℃，那麼，Tj=60+1.2*83.3=159.96此時已經超出了管子的最高結溫150度了！
按照降額0.012W/℃的原則，60℃時的降額爲 (60-25)*0.012=0.42W，1.5-0.42=1.08W。也就是說，殼溫60℃時功率必須小於1.08W，不然超出最高結溫。
假設規格書沒有給出Rjc的值，能夠如此計算：Rjc=(Tj-Tc)/P，若是也沒有給出Tj數據，那麼通常硅管的Tj最大爲150℃。一樣以2N5551爲例。知道25度時的功率爲1.5W，假設Tj爲150，那麼代入上面的公式：Rjc= (150-25)/1.5=83.3℃/W，剛好等於規格書給出的實際熱阻。
若是廠家沒有給出25℃時的功率。那麼能夠本身加必定的功率加到使其殼溫達到容許的最大殼溫時（好比民品級的器件爲70℃），再把數據代入：Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P。有給Tj最好，沒有時，通常硅管的Tj取150℃。
我還要做一下補充說明。
1、能夠把半導體器件分爲功率器件和小功率器件。
一、(大)功率器件的額定功率通常是指帶散熱器時的功率，散熱器足夠大時且散熱良好時，能夠認爲其外殼到環境之間的熱阻爲0，因此理想狀態時殼溫即等於環境溫度。功率器件因爲採用了特殊的工藝，因此其最高容許結溫有的能夠達到175℃。可是爲了保險起見，一概能夠按150℃來計算。適用公式：Ta=Tc=Tj-P*Rjc。設計時，Tj最大值爲150℃，Rjc已知，假設環境溫度也肯定，根據殼溫即等於環境溫度，那麼此時容許的P也就隨之肯定。
二、小功率半導體器件，好比小功率晶體管，小功率IC，通常使用時是不帶散熱器的。因此這時就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。通常廠家規格書中會給出Rja，即結到環境之間的熱阻。（Rja=Rjc+Rca)。
一樣以三級管2N5551爲例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫Tc =25℃時取得的。假設此時環境溫度剛好是25℃，又要消耗1.5W的功率，還要保證殼溫也是25℃，惟一的可能就是它獲得足夠良好的散熱！可是通常像 2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。因此，不帶散熱器的小功率半導體器件要用到的公式是Ta=Tj-P*Rja。通常小功率半導體器件的廠家會在規格書中給出Rja這個參數。
2N5551的Rja廠家給的值是200℃/W。已知其最高結溫是150℃，環境溫度爲25℃時，求容許的功耗，能夠把上述數據代入 Ta=Tj-P*Rja,得:25=150-P*200,從而獲得，P=0.625W。事實上，規格書中就是0.625W。由於2N5551不會加散熱器使用，因此咱們日常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！
還有要注意，SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數據是在焊接到規定的焊盤（有必定的散熱功能）上時測得的。
三、大功率晶體管的額定功率通常是指帶散熱器散熱器足夠大時且散熱良好時的功率。有時應用中大功率晶體管不帶散熱器來使用，那麼此時其最大功率如何求呢？
就以知名網站我愛方案網的投資者ON公司的BU406爲例。BU406的額定功率爲60W(Tc=25℃)。BU406的Rja爲70℃/W，最大結溫爲150℃。由Ta= Tj-P*Rja變形爲P=(Tj-Ta)/Rja，把上述數據代人此公式可得，P=(150-Ta)/70。好比環境溫度爲25℃時，其最大容許功耗爲 P=(150-25)/70=1.786W。若是機器的最高使用溫度爲70℃，此時最大容許功耗爲P=(150-70)/70=1.14W。可見，儘管BU406的額定功率爲60W，可是若是不加散熱片使用，其在常溫下時的功率不過才1.786W！
四、因爲半導體的額定功率都是在Tc=25℃或Ta=25℃的條件下獲得的，超過25℃時，必須降額使用。而降額係數其實就是對應熱阻的倒數。
好比說，BU406額定功率60W是在Tc=25℃條件下的，Rjc=2.08℃/W，那麼其殼溫降額係數Kc=1/Rjc=1/2.08=0.48W/℃。這個結果與廠家規格書中給出的數據正好相同。
又好比，2N5551在Tc=25℃時的額定功率爲 0.625W，Rjc=83.3℃/W，其殼溫降額係數Kc=1/83.3=0.012W/℃。2N5551另一個條件是在Ta=25℃時的額定功率爲1.5W，Rja=200℃/W，則其環境溫度降額係數Ka=1/Rja=1/200=0.005W/℃。這些數據都和廠家資料符合。
也就是說，設計考慮半導體的功耗和溫度間的關係時，即便廠家沒給出降額係數，也能夠根據熱阻來得出其降額係數。即 Kc=1/Rjc 或Ka=1/Rja。
要特別說明，這裏說的環境溫度降額係數指的是最大額定功耗自己的降額，爲了保證晶體管的可靠性，設計降額還需在環境溫度降額係數的基礎上再降額0.5至0.75左右！
五、另外分享一個從電子元件技術網上學來的竅門，其實通常規格書中的最大容許儲存溫度其實也是最大容許結溫。最大容許操做溫度其實也就是最大容許殼溫。
最大容許儲存溫度時，功率P固然爲0，因此公式變爲Tcmax =Tjmax-0*Rjc，即Tcmax=Tjmax。是否是很神奇！
最大容許操做溫度，通常民用級（商業級）爲70度，工業級的爲85度。普通產品用的都是民用級的器件，工業級的通常貴不少。
熱路的計算，只要抓住這個原則就能夠了：從芯片內部開始算起，任何兩點間的溫差，都等於器件的功率乘以這兩點之間的熱阻。這有點像歐姆定律。任何兩點之間的壓降，都等於電流，乘以這兩點間的電阻。
不過要注意，熱量在傳導過程當中，任何介質，以及任何介質之間，都有熱阻的存在，固然熱阻小時能夠忽略。好比散熱器面積足夠大時，其與環境溫度接近，這時就能夠認爲熱阻爲0。若是器件自己的熱量就形成了周圍環境溫度上升，說明其散熱片（有散熱片的話）或外殼與環境之間的熱阻比較大！這時，最簡單的方法就是直接用Tc=Tj-P*Rjc來計算。其中Tc爲殼溫，Rjc爲結殼之間的熱阻。若是你Tc換成散熱片(有散熱片的話)表面溫度，那麼公式中的熱阻還必須是結殼之間的加上殼與散熱器之間的在加散熱器自己的熱阻！另外，若是你的溫度點是以環境來取點，那麼，想一想這中間包含了還有哪些熱路吧。好比，散熱片與測試腔體內空氣之間的熱阻，腔體內空氣與腔體外空氣間的熱阻。這樣就比較難算了