结温预测
理论：稳态与瞬态热阻
概述
电机驱动MOSFET平均损耗10 W，按热阻计算应有余量，却损坏了。为什么？
可能是因为损耗不是恒定的，而是以脉冲形式出现。半导体芯片小、热容小，电流流过的短时间内温度急升，间歇时下降。平均损耗乘以热阻只代表波动的中间温度。真正起作用的是最高温度，脉冲频率越低每次越长，波动越大。用瞬态热阻抗就能算出这个最高温度。
瞬态热阻抗
瞬态热阻抗 $Z_{th}$ 是开始施加恒定功率 $t$ 时间后的温升除以功率。数据手册常用热阻 $R_i$ 与时间常数 $\tau_i$ 的组合（Foster网络）表示。时间足够长后等于稳态热阻。
重复脉冲的最高温度
导通时间 $t_{on}$ 与关断时间 $t_{off}$ 交替重复、达到稳定周期后的最大温升，按各时间常数叠加求得。
由温度决定的半导体寿命
半导体的许多失效源于温度越高进展越快的化学和物理劣化。从20世纪60年代起，常用“温度每升高10 ℃故障率约翻倍”的经验法则（依据阿伦尼乌斯公式）。功率半导体中，温度每次升降，芯片与焊料、键合线的热膨胀差都会产生应变，反复作用会使键合线剥离。所以不仅要估算平均温度，还要估算最高温度和温度波动幅度，这是寿命设计的基础。
算例：MOSFET温度
结到壳的Foster网络（0.05 K/W·0.1 ms，0.15·1 ms，0.30·10 ms，0.50·100 ms，合计1.0 K/W），壳到环境（含散热器）1.0 K/W·60 s。环境40 ℃：
| 工况 | 热阻/热阻抗 | 温升 | 结温 |
|---|---|---|---|
| 稳态 20 W | 2.0 K/W | 40.0 K | 80.0 °C |
| 单脉冲 100 W、1 ms | 0.178 K/W | 17.8 K | 57.8 °C |
| 单脉冲 100 W、10 ms | 0.437 K/W | 43.7 K | 83.7 °C |
| 100 W、10%、1 kHz（平均10 W） | — | 23.6 K | 63.6 °C |
| 100 W、10%、10 Hz（平均10 W） | — | 56.5 K | 96.5 °C |
同样平均10 W，频率低时温升却超过两倍。
两者按平均功率×热阻估算都是20 K，但1 kHz时每个脉冲只有0.1 ms，芯片还没完全升温就进入间歇，波动小，只有23.6 K。10 Hz时每个脉冲长达10 ms，与芯片时间常数（约10 ms）相当，脉冲期间大幅升温，最高达56.5 K。低频间歇运行，如电机反复起停，对芯片是严酷条件。温度波动幅度还直接关系到焊料和键合线的疲劳寿命。
预测步骤
- 由运行工况求损耗随时间的变化（导通损耗、开关损耗）。
- 从数据手册或热分析获得Zth或Foster网络常数。
- 加上壳到环境（热界面材料、散热器）的热阻和时间常数。
- 用叠加法求最高温度和温度波动幅度。
- 把最高温度与额定值比较，由波动幅度估算功率循环寿命。
“按平均明明有余量”
某叉车电机驱动板按平均损耗算结温约100 ℃，距额定150 ℃有余量，实机中MOSFET却损坏了。只有举升货物的几秒钟流过大电流，其间损耗是平均值的5倍以上。用瞬态热阻抗重新计算，举升末期结温超过了额定值。热计算要看最严酷运行的几秒到几十秒，而不是平均值。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 脉冲用平均功率 | 低估最高温度 | 用Zth叠加 |
| 直接使用θJA | 与实际板条件不同 | 按实际安装做热分析 |
| 由壳温用θJC推算 | 由顶面温度推算偏大 | 用ΨJT |
| 不看最恶劣工况 | 短时过热 | 最恶劣的几秒到几十秒 |
| 忽略温度波动 | 漏掉疲劳寿命 | 功率循环评估 |
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