晶體管耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率PCM,是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時(shí)的最大集電極耗散功率。耗散功率與晶體管的最高允許結(jié)溫和集電極最大電流有密切關(guān)系。硅管的結(jié)溫允許值大約為150°C,鍺管的結(jié)溫允許值為85°C左右。要保證管子結(jié)溫不超過允許值,就必須將產(chǎn)生的熱散發(fā)出去.晶體管在使用時(shí),其實(shí)際功耗不允許超過PCM值,否則會(huì)造成晶體管因過載而損壞。
通常將耗散功率PCM小于1W的晶體管稱為小功率晶體管,PCM等于或大于1W、小于5W的晶體管被稱為中功率晶體管,將PCM等于或大于5W的晶體管稱為大功率晶體管。
晶體管耗散功率是指晶體管在工作過程中消耗的電能,通常以瓦特(Watt)為單位來表示。
它代表了晶體管內(nèi)部的能量損耗,主要由兩個(gè)部分組成:
導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的功耗: 當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),電流流經(jīng)晶體管的通道,導(dǎo)致通道中的電阻產(chǎn)生功耗。這部分功耗通常由晶體管的導(dǎo)通電阻(通常以RDS(on)表示)和電流大小決定。
截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的功耗: 當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),雖然電流不流過晶體管,但由于存在漏電流(主要是由于熱激發(fā)引起的),仍然會(huì)有一小部分功耗。
晶體管耗散功率的理解對(duì)于電子電路設(shè)計(jì)非常重要,因?yàn)樗苯雨P(guān)系到晶體管的溫度升高和性能穩(wěn)定性。較高的耗散功率會(huì)導(dǎo)致晶體管升溫,而過熱可能會(huì)損壞晶體管或降低其壽命。因此,電子工程師需要在設(shè)計(jì)中考慮降低耗散功率的方法,以確保電路的可靠性。
耗散功率計(jì)算公式
最大耗散功率(Maximum dissipation power):
(1)對(duì)于雙極型晶體管:
BJT的總耗散功率為Pc=Ie Vbe + Ic Vcb + Ic rcs ≈ Ic Vcb),并且Pc關(guān)系到輸出的最大交流功率Po:Po = (供給晶體管的直流功率Pd) – (晶體管耗散的功率Pc) = [η/(1–η)]Pc ∝ Pc,即輸出交流功率與晶體管的耗散功率成正比(η= Po / Pd是轉(zhuǎn)換效率)。
晶體管功率的耗散(消耗)即發(fā)熱,如果此熱量不能及時(shí)散發(fā)掉, 則將使集電結(jié)的結(jié)溫Tj升高, 這就限制了輸出功率的提高;最高結(jié)溫Tjm(一般定為175 oC)時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率即為最大耗散功率Pcm 。
為了提高Po,就要求提高Pc, 但Pc的提高又受到結(jié)溫的限制,為使結(jié)溫不超過Tjm,就需要減小晶體管的熱阻Rt;最大耗散功率Pcm ∝1/ Rt 。最高結(jié)溫Tjm時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大耗散功率為(Pcms≥Pcm ):穩(wěn)態(tài)時(shí), Pcm = (Tjm–Ta) / Rt ;瞬態(tài)時(shí),Pcms = (Tjm–Ta) / Rts 。
提高PCM的措施,主要是降低熱阻RT和降低環(huán)境溫度Ta ;同時(shí),晶體管在脈沖和高頻工作時(shí), PC增大, 安全工作區(qū)擴(kuò)大,則最大耗散功率增大,輸出功率也相應(yīng)提高。
(2)對(duì)于MOSFET:
其最大輸出功率也要受到器件散熱能力的限制:Pcm = (Tjm–Ta) / Rt,MOSFET的最高結(jié)溫Tjm仍然定為175 oC, 發(fā)熱中心是在漏結(jié)附近的溝道表面處, 則Rt主要是芯片的熱阻 (熱阻需要采用計(jì)算傳輸線特征阻抗的方法來求出)。
降低晶體管的耗散功率可以采取以下方法:
選擇低導(dǎo)通電阻(RDS(on))的晶體管: 較低的導(dǎo)通電阻會(huì)減少導(dǎo)通狀態(tài)下的功耗。
有效的電源管理: 在不需要時(shí)將晶體管置于截止?fàn)顟B(tài),以減小截止?fàn)顟B(tài)下的漏電流。
散熱設(shè)計(jì): 提供足夠的散熱措施,如散熱器,以降低晶體管的溫度。
電流限制: 控制電流大小,以確保晶體管工作在安全的范圍內(nèi),避免過度耗散功率。
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