電氣設(shè)備（如斷路器，電機(jī)或變壓器）的電流額定值，是指在某個(gè)電流下，器件本身達(dá)到的溫度可能損害器件可靠性和功能時(shí)的電流值。制造商雖然知道器件材料的溫度限值，但是他并不知道使用器件時(shí)的環(huán)境溫度。因此，他只能假設(shè)環(huán)境溫度。這就帶來(lái)了兩種后果：

• 每個(gè)電流額定值都與環(huán)境溫度相關(guān)（環(huán)境，散熱器，殼）。不考慮環(huán)境溫度而討論電流額定值是無(wú)意義的。

• 電流額定值相關(guān)的溫度可能與實(shí)際工作條件有關(guān)，也可能無(wú)關(guān)。如果有關(guān)，電流額定值可用于指示實(shí)際應(yīng)用中器件的電流能力。如果器件的額定值是在典型工作環(huán)境（如25oC）不會(huì)遇到的溫度時(shí)得出的值，它就無(wú)法提供應(yīng)用中實(shí)際器件能力的信息。該值只能用來(lái)比較相似器件在相同溫度時(shí)的電流額定值。

電氣設(shè)備（如電機(jī)，斷路器）的電流額定值由各種協(xié)議和法規(guī)規(guī)定。其它器件，如變壓器，電阻和半導(dǎo)體的電流額定值都在數(shù)據(jù)手冊(cè)中進(jìn)行了定義。因此，用戶(hù)必須核實(shí)器件能否在以下條件運(yùn)行：

• 應(yīng)用中出現(xiàn)最大電流時(shí)

• 最大環(huán)境溫度時(shí)

• 未超出數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最高溫度時(shí)

為了核實(shí)這3個(gè)要素，用戶(hù)必須進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”。這可以是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，或者是通過(guò)復(fù)雜的有限元分析得出結(jié)論。

此時(shí)，精明的讀者會(huì)意識(shí)到當(dāng)他做熱設(shè)計(jì)時(shí)，就能找出實(shí)際應(yīng)用中器件的電流額定值，而不需要制造商所提供的電流額定值。制造商提供的各個(gè)電流額定值僅用于表明器件的能力，并縮小選擇范圍。

熱設(shè)計(jì)對(duì)功率半導(dǎo)體非常重要，原因如下：

• 功率半導(dǎo)體的工作電流密度極大，且結(jié)溫和環(huán)境溫度相差極大

• 功率半導(dǎo)體的熱質(zhì)量極小，且會(huì)在幾毫秒之內(nèi)進(jìn)入熱失控

因此，功率半導(dǎo)體必須進(jìn)行散熱處理，且設(shè)計(jì)者須負(fù)責(zé)選擇散熱器或其它冷卻方法，即進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”。

典型的功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊(cè)包含了一個(gè)或多個(gè)“不間斷電流額定值”，通常由曲線(xiàn)圖補(bǔ)充，如圖1所示。這是基于以下假設(shè)：

• 功率半導(dǎo)體正在導(dǎo)通固定量的電流（無(wú)開(kāi)關(guān)損耗）

• 在結(jié)里產(chǎn)生的熱量流入到無(wú)限散熱器

• 熱源和殼的溫度是恒定不變的。熱源（結(jié)）的溫度為最大值

其中R_DS(on)是在額定T_Jmax時(shí)的導(dǎo)通電阻。R_thJC 是內(nèi)部結(jié)到殼熱阻抗最大值，T_c是管殼溫度。其它功率器件的電流和功率耗散是非線(xiàn)性的關(guān)系，因此必須通過(guò)迭代過(guò)程確定其電流額定值。

在大多數(shù)應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體的管殼溫度高于80oC。因此，功率器件的可用不間斷直流電流適用于80°和110°C之間的任意管殼溫度。這樣，管殼溫度和環(huán)境溫度之間有了足夠的差距，散熱器就能處理熱傳遞。25°C電流額定值是第一代雙極晶體管JEDEC遺留下來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)值。

低壓MOSFET技術(shù)的進(jìn)步降低了傳導(dǎo)損耗，使得封裝成為不間斷電流額定值的限制因素。圖1描述了這一點(diǎn)。 

前述討論的不間斷電流額定值只作為一個(gè)比較基準(zhǔn)，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)的直接用途很有限，原因如下：

• 功率晶體管一般運(yùn)行在開(kāi)關(guān)模式，其占空比大大低于100％。設(shè)計(jì)者真正感興趣的是在實(shí)際“開(kāi)關(guān)”操作情況下的載流能力

• 在開(kāi)關(guān)模式下操作時(shí)，功率晶體管產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。必須通過(guò)計(jì)算得出這些開(kāi)關(guān)損耗，并將其添加到傳導(dǎo)損耗

• 開(kāi)關(guān)模式下功率器件的選擇取決于浪涌要求，而非不間斷電流額定值和載流能力

只要第三節(jié)描述的第2種情況和第3種情況有效，我們就可以使用基本的熱值方程式計(jì)算出結(jié)溫。此時(shí)假定我們已知系統(tǒng)的功率耗散和熱阻抗。

通常將功率耗散分成2部分：傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。功率MOSFET里的傳導(dǎo)損耗計(jì)算方法為I_rms2 x R_DS(on)。不同波形的RMS內(nèi)容可在附錄中找到。開(kāi)關(guān)損耗可通過(guò)開(kāi)關(guān)波形，柵極電荷或分析方法計(jì)算出。IGBT的傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算方法更為復(fù)雜。

第3節(jié)基本方程式中的功率指“平均”功率，且只要操作頻率相對(duì)于系統(tǒng)熱慣量高，結(jié)果就有效。隨著操作頻率上升，結(jié)的熱質(zhì)量消除瞬時(shí)溫度波動(dòng)，且結(jié)更多地對(duì)平均功率損耗做出響應(yīng)，而不是峰值功率損耗。頻率高于幾千赫茲，且占空比大于20％時(shí)，逐周期溫度波動(dòng)縮小，且峰值結(jié)溫上升等于平均功率耗散乘以DC結(jié)至殼熱阻抗，誤差在一個(gè)或兩個(gè)百分點(diǎn)內(nèi)。

當(dāng)操作頻率很低時(shí)（幾十赫茲)，必須計(jì)算溫度紋波。下面將要討論的瞬態(tài)熱阻抗曲線(xiàn)描述了在低頻操作時(shí)如何計(jì)算溫度紋波。

在脈沖條件下，第3節(jié)描述的3個(gè)假設(shè)不再有效：

• 器件在穩(wěn)態(tài)模式下不再導(dǎo)通電流

• 結(jié)里產(chǎn)生的熱量一部分到系統(tǒng)熱質(zhì)量，一部分到環(huán)境

• 熱系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)處的溫度在浪涌期間上升。

計(jì)算結(jié)溫的正確方法需考慮熱流的三維性質(zhì)，如圖2所示。通常通過(guò)有限元分析完成它。由于導(dǎo)通電阻和溫度成函數(shù)關(guān)系，功率耗散會(huì)隨著時(shí)間增加，且在分析中必須考慮采用合理的功率半導(dǎo)體電氣模型。

該曲線(xiàn)提供了給定時(shí)段內(nèi)（x軸）浪涌的熱反應(yīng)系數(shù)（y軸）。如上圖所示，熱反應(yīng)系數(shù)（或熱阻抗）與導(dǎo)通時(shí)間t內(nèi)的功率耗散（即導(dǎo)通脈沖內(nèi)的功率，而非整個(gè)周期內(nèi)的平均功率）相乘得出重復(fù)性結(jié)到殼溫峰值的上升值。功率耗散則可通過(guò)浪涌期間器件兩端的電壓和電流計(jì)算出。

請(qǐng)注意對(duì)于長(zhǎng)脈沖（在圖3中約10ms），熱反應(yīng)與熱阻抗相等。

在有些數(shù)據(jù)手冊(cè)中，熱反應(yīng)系數(shù)歸一化為1。這意味著該系數(shù)需進(jìn)一步與數(shù)據(jù)手冊(cè)里的熱阻抗相乘。

瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線(xiàn)假定恒定的管殼溫度。這通常對(duì)短于1到5ms的脈沖有效，具體脈沖長(zhǎng)度取決于封裝的熱質(zhì)量。對(duì)于更長(zhǎng)的浪涌脈沖，殼溫開(kāi)始上升，結(jié)果就不是那么準(zhǔn)確了。在空氣中或PQFN封裝下操作，殼溫最多上升1毫秒，該曲線(xiàn)不提供有用的信息。在這些情況下，必須采用有限元分析模擬整個(gè)熱系統(tǒng)。

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用（短脈沖和顯著熱質(zhì)量），如第3節(jié)描述，由于TC主要取決于平均功率耗散，因此它是可計(jì)算的。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，將溫度紋波疊加到平均管殼溫度，得到峰值結(jié)溫絕對(duì)值。

當(dāng)結(jié)溫里的紋波很明顯時(shí)，瞬態(tài)熱阻抗曲線(xiàn)可用于計(jì)算重復(fù)率極低的功率脈沖的峰值溫度。合理的熱響應(yīng)發(fā)生在x軸上的脈沖寬度與適當(dāng)占空比曲線(xiàn)交叉處。如上所述，熱響應(yīng)系數(shù)必須與脈沖期間的功率耗散相乘，然后再疊加到管殼溫度。

MOSFET傳導(dǎo)損耗與RMS漏電流的平方成比例。電流波形很少是簡(jiǎn)單的正弦曲線(xiàn)或矩形，這可能在計(jì)算I_RMS的值時(shí)產(chǎn)生一些問(wèn)題。對(duì)于那些可被分割成若干段，且能分段計(jì)算出其RMS值的波形，可通過(guò)下列等式和步驟確定它們的I_RMS。

通過(guò)下列公式可計(jì)算出任意波形的RMS值