功率器件結(jié)溫和殼頂溫度差異分析-KIA MOS管

開關(guān)電源、電機驅(qū)動以及一些電力電子變換器通常會使用功率器件，在設(shè)計過程中要測量功率MOSFET或IGBT結(jié)溫，保證其在合理安全的工作范圍，因為功率器件結(jié)溫與其安全性、可靠性直接相關(guān)。

功率器件的熱阻

功率器件散熱特性和其熱阻特性直接相關(guān)，如圖1所示。RJC是結(jié)到殼（底部銅片）的熱阻，如果功率器件底部沒有銅片，那么就是結(jié)到和硅片襯底連接的管腳的熱阻RJL。

功率器件內(nèi)部熱量主要通過底部銅片和塑料殼這二條路徑散熱，RJT為結(jié)到塑料殼的熱阻，RTA為塑料殼到空氣的熱阻，RCA為底部銅片到空氣的熱阻。

事實上，由于RJT+RTA遠遠大于RJC+ RCA，只有很少部分熱量從塑料殼導(dǎo)出，塑料殼頂部溫度和結(jié)溫差值比較小，實際應(yīng)用中，紅外熱成像測溫儀測量功率器件塑料外殼頂溫度，通常把塑料外殼頂?shù)臏囟冉茷槠骷Y(jié)溫。

為了更為精確得到塑料外殼頂溫度和實際器件結(jié)溫的差異，使用實驗測量方式，進行定量分析，同時，研究塑料外殼封裝類型和芯片尺寸大小，對于溫度差異的影響。

圖1 功率器件的熱阻

圖2 紅外熱成像儀測量溫度

芯片結(jié)溫校核曲線測量

功率器件內(nèi)部通常會有寄生PN結(jié)二極管，如功率MOSFET反并聯(lián)寄生體二極管，就相當(dāng)于一個溫度傳感器，一定溫度對應(yīng)著一定二極管壓降。每一個硅器件都對應(yīng)著特定的校準曲線。

一旦確定，在靜態(tài)條件下，可以測量功率器件內(nèi)部寄生二極管的壓降，通過校核的結(jié)溫曲線，得到相應(yīng)的內(nèi)部芯片結(jié)溫。

將熱電偶安裝在器件底部裸露銅皮上，然后將器件放在攪動熱液體油中，器件熱平衡后，整個器件溫度會保持一致；然后，器件寄生體二極管流過固定的小電流，電流大小為10mA，測量寄生體二極管正向壓降VF；

同時，通過熱電偶測量器件底部裸露銅皮溫度，也就是結(jié)溫，就可以得到器件寄生體二極管正向壓降VF和結(jié)溫變化的校核曲線。

注意到，器件熱平衡后，保持穩(wěn)態(tài)時，器件的整體溫度都相同。在油溫度低于100度時，可以同時使用溫度計進一步校核油的溫度和熱電偶測量溫度，讓它們保持一致。校核時，溫度計盡可能靠近器件。測量器件寄生二極管壓降時，使用KELVIN連接法。

圖3 VF和結(jié)溫校核曲線，IF=10mA

器件塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫測量

器件塑料外殼頂溫度和芯片結(jié)溫測量系統(tǒng)的示意圖，如圖4所示，每個器件分別安裝在不同焊盤銅皮尺寸的PCB板上，如圖6所示，PCB為2層板，覆銅厚度2OZ。

圖4 測量系統(tǒng)的示意圖

圖5 器件安裝的PCB

測量的步驟如下：

（1）將器件安裝在PCB板上，設(shè)定功率回路的電流值，如1A，連通功率回路和測量回路，器件寄生體二極管中通過約1A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(dāng)其溫度穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)功耗和對應(yīng)的器件塑料外殼頂溫度。

（2）斷開步驟1中功率回路，僅保持10mA測量回路的連通，10mA電流繼續(xù)流過器件寄生體二極管，測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，此過程的測量時間非常短，同時由于器件熱容的影響，內(nèi)部芯片結(jié)溫基本不會降低。

（3）改變功率回路的電流值，重復(fù)步驟1和步驟2，完成器件的測量。

小結(jié)：

（1）芯片塑料殼頂部和結(jié)溫的差異，受封裝影響大，不同封閉類型、不同外殼材料等因素都會影響到這個差值。頂部塑料殼越厚，溫差越大。

（2）貼片類型封裝，芯片塑料殼頂部和結(jié)溫的溫差，經(jīng)驗值通常取5-10℃左右。

（3）同樣環(huán)境溫度條件下，熱阻RJA（結(jié)到環(huán)境）隨著結(jié)溫的增加而增大，熱阻RJT（結(jié)到頂部）隨著結(jié)溫的增加而減小。

（4）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。

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