功率器件實(shí)際結(jié)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(nèi)部實(shí)際結(jié)溫和外殼頂溫度的差異，給出了測(cè)量?jī)?nèi)部實(shí)際結(jié)溫的方法。研究表明，不同的器件、不同的封裝類型，不同的內(nèi)部封裝方法，都會(huì)直接影響到溫度差異，環(huán)境溫度越高，溫度差值越小；封裝材料越厚，溫度差值越大。

關(guān)鍵詞：結(jié)溫；殼頂溫度；紅外測(cè)溫

開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)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(shè)計(jì)過(guò)程中，要測(cè)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(jié)溫，保證其在合理安全的工作范圍，因?yàn)楣β势骷Y(jié)溫與其安全性、可靠性直接相關(guān)。測(cè)量功率器件結(jié)溫有兩種方法：熱電偶和紅外熱成像測(cè)溫儀。使用熱電偶測(cè)量溫度，為了提高測(cè)量精度，需要進(jìn)行精確的溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)。熱電偶本身要用特定粘膠固定在測(cè)量器件表面，或用機(jī)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(cè)量的精度。相對(duì)于被測(cè)量功率器件，熱電偶接觸面積大，本身相當(dāng)于散熱器作用，影響測(cè)量精度。此外，器件底部銅片和結(jié)溫也有一定差異，也影響內(nèi)部結(jié)溫的測(cè)量精度。

紅外熱成像測(cè)溫儀不需要和器件接觸，測(cè)量過(guò)程對(duì)測(cè)量精度影響小。但是，紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)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(nèi)部結(jié)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(yīng)用提供溫度降額的設(shè)計(jì)參考。

為了更精確得到塑料外殼頂部溫度和實(shí)際器件結(jié)溫的差異，使用實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于溫度差異的影響。

2 芯片結(jié)溫校核曲線測(cè)量

功率器件內(nèi)部通常會(huì)有 PN 結(jié)二極管，如功率 MOSFET 反并聯(lián)寄生體二極管，就相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對(duì)應(yīng)著一定的二極管壓降。每一個(gè)硅器件都對(duì)應(yīng)著特定的校準(zhǔn)曲線，一旦確定，在靜態(tài)條件下，可以測(cè)量功率器件內(nèi)部寄生二極管的壓降，通過(guò)校核的結(jié)溫曲線，得到相應(yīng)的內(nèi)部芯片結(jié)溫。

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

圖4 同封裝器件

3 器件塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫測(cè)量

器件塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫測(cè)量系統(tǒng)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(cè)量系統(tǒng)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(cè)量的步驟如下。

（1）將器件 AON6414A 安裝在 PCB 板上，設(shè)定功率回路的電流值，如 1 A，連通功率回路和測(cè)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(jí)管的功耗加熱器件，使用紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)量器件塑料外殼頂部溫度；當(dāng)其溫度穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)功耗和對(duì)應(yīng)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(cè)量回路的連通，10 mA 電流繼續(xù)流過(guò)器件寄生體二極管，測(cè)量寄生體二極管的電壓，在器件的結(jié)溫校核曲線中，由二極管的電壓得到相應(yīng)的芯片結(jié)溫。通常，此過(guò)程的測(cè)量時(shí)間非常短，同時(shí)由于器件熱容的影響，內(nèi)部芯片結(jié)溫基本不會(huì)降低。

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

按照上面的方法，分別測(cè)出 AON6500 和 AO4407A 的結(jié)果。測(cè)量的結(jié)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(cè)量的結(jié)果見(jiàn)表 6。

在實(shí)際工作的條件下，不太可能實(shí)時(shí)測(cè)量功率器件內(nèi)部寄生二極管的壓降來(lái)確定內(nèi)部芯片的結(jié)溫。可以將使用上述靜態(tài)方式測(cè)量的結(jié)溫，結(jié)合紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)量的塑料外殼頂部溫度，校核它們之間的差值。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)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(nèi)部結(jié)溫。

4 結(jié)語(yǔ)

芯片塑料殼頂部和結(jié)溫的差異受封裝的影響大，不同封閉類型、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；貼片類型的封裝，芯片塑料殼頂部和結(jié)溫的溫差，經(jīng)驗(yàn)值通常取 5~10 ℃ 左右；同樣環(huán)境溫度條件下，熱阻 R_JA（結(jié)到環(huán)境）隨著結(jié)溫的增加而增大，熱阻 R_JT（結(jié)到頂部）隨著結(jié)溫的增加而減小；芯片塑料殼頂部和結(jié)溫的差異，隨著環(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(jí)解決方案。在一些繪制圖形的工程軟件中，經(jīng)常使用閉合線收縮。該模型可以為此提供更準(zhǔn)確的閉合線收縮方案，保證工程圖紙的準(zhǔn)確性。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)