功率器件實(shí)際結溫和殼頂溫度的差異研究

摘 要：本文主要研究功率器件的內部實(shí)際結溫和外殼頂溫度的差異，給出了測量?jì)炔繉?shí)際結溫的方法。研究表明，不同的器件、不同的封裝類(lèi)型，不同的內部封裝方法，都會(huì )直接影響到溫度差異，環(huán)境溫度越高，溫度差值越??；封裝材料越厚，溫度差值越大。

關(guān)鍵詞：結溫；殼頂溫度；紅外測溫

開(kāi)關(guān)電源、電機驅動(dòng)以及一些電力電子變換器通常會(huì )使用功率器件，在設計過(guò)程中，要測量功率 MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金氧半場(chǎng)效晶體管）或 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）結溫，保證其在合理安全的工作范圍，因為功率器件結溫與其安全性、可靠性直接相關(guān)。測量功率器件結溫有兩種方法：熱電偶和紅外熱成像測溫儀。使用熱電偶測量溫度，為了提高測量精度，需要進(jìn)行精確的溫度補償和校準。熱電偶本身要用特定粘膠固定在測量器件表面，或用機械方式固定并保證其和器件底部銅片具有良好的接觸。固定方式和接觸面積都會(huì )影響測量的精度。相對于被測量功率器件，熱電偶接觸面積大，本身相當于散熱器作用，影響測量精度。此外，器件底部銅片和結溫也有一定差異，也影響內部結溫的測量精度。

紅外熱成像測溫儀不需要和器件接觸，測量過(guò)程對測量精度影響小。但是，紅外熱成像測溫儀測量的是功率器件塑料外殼頂部溫度，這個(gè)溫度和功率器件內部結溫有一定差異，本文就是研究這二者溫度差值的范圍，從而為實(shí)際應用提供溫度降額的設計參考。

為了更精確得到塑料外殼頂部溫度和實(shí)際器件結溫的差異，使用實(shí)驗測量方式，進(jìn)行定量的分析，同時(shí)，也研究塑料外殼和芯片尺寸大小對于溫度差異的影響。

2 芯片結溫校核曲線(xiàn)測量

功率器件內部通常會(huì )有 PN 結二極管，如功率 MOSFET 反并聯(lián)寄生體二極管，就相當于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對應著(zhù)一定的二極管壓降。每一個(gè)硅器件都對應著(zhù)特定的校準曲線(xiàn)，一旦確定，在靜態(tài)條件下，可以測量功率器件內部寄生二極管的壓降，通過(guò)校核的結溫曲線(xiàn)，得到相應的內部芯片結溫。

選擇三種類(lèi)型的功率 MOSFET：AON6414A，AON6500，AO4407A，封裝和內部芯片尺寸如表 1 所示，然后分別測出它們的結溫校核曲線(xiàn)。

圖4 同封裝器件

3 器件塑料外殼頂部溫度和芯片結溫測量

器件塑料外殼頂部溫度和芯片結溫測量系統的示意圖，如圖 5 所示，每個(gè)器件分別安裝在不同焊盤(pán)銅皮尺寸的 PCB 板上，如圖 6 所示，PCB 為 2 層板，覆銅厚度 2 OZ（約 0.07 mm）。

圖5 測量系統的示意圖

 (a) 0.3 cm²焊盤(pán)銅皮

(b) 10 cm²封裝焊盤(pán)銅皮

圖6 器件安裝的PCB

測量的步驟如下。

（1）將器件 AON6414A 安裝在 PCB 板上，設定功率回路的電流值，如 1 A，連通功率回路和測量回路，器件寄生體二極管中通過(guò) 1.01 A 電流，寄生體二級管的功耗加熱器件，使用紅外熱成像測溫儀測量器件塑料外殼頂部溫度；當其溫度穩定后，記錄相應功耗和對應的器件塑料外殼頂部溫度。

（2）斷開(kāi)步驟 1 中功率回路，僅保持 10 mA 測量回路的連通，10 mA 電流繼續流過(guò)器件寄生體二極管，測量寄生體二極管的電壓，在器件的結溫校核曲線(xiàn)中，由二極管的電壓得到相應的芯片結溫。通常，此過(guò)程的測量時(shí)間非常短，同時(shí)由于器件熱容的影響，內部芯片結溫基本不會(huì )降低。

（3）改變功率回路的電流值，重復步驟 1 和步驟 2，完成器件 AON6414A 的測量。

按照上面的方法，分別測出 AON6500 和 AO4407A 的結果。測量的結果分別見(jiàn)表 2、表 3、表 4 和表 5。

圖7 溫度差異和塑料外殼頂部溫度關(guān)系

增加環(huán)境的溫度，AO4407A 測量的結果見(jiàn)表 6。

在實(shí)際工作的條件下，不太可能實(shí)時(shí)測量功率器件內部寄生二極管的壓降來(lái)確定內部芯片的結溫?？梢詫⑹褂蒙鲜鲮o態(tài)方式測量的結溫，結合紅外熱成像測溫儀測量的塑料外殼頂部溫度，校核它們之間的差值。在實(shí)際應用中，測量到塑料外殼頂部溫度，基于這個(gè)差值，就可以得到芯片內部結溫。

4 結語(yǔ)

芯片塑料殼頂部和結溫的差異受封裝的影響大，不同封閉類(lèi)型、不同外殼材料等因素都會(huì )影響到這個(gè)差值；頂部塑料殼越厚，溫差越大；貼片類(lèi)型的封裝，芯片塑料殼頂部和結溫的溫差，經(jīng)驗值通常取 5~10 ℃ 左右；同樣環(huán)境溫度條件下，熱阻 R_JA（結到環(huán)境）隨著(zhù)結溫的增加而增大，熱阻 R_JT（結到頂部）隨著(zhù)結溫的增加而減??；芯片塑料殼頂部和結溫的差異，隨著(zhù)環(huán)境溫度的增加而減小。

模型 2 可以為一些科學(xué)軟件提供升級解決方案。在一些繪制圖形的工程軟件中，經(jīng)常使用閉合線(xiàn)收縮。該模型可以為此提供更準確的閉合線(xiàn)收縮方案，保證工程圖紙的準確性。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)